JP4186800B2

JP4186800B2 - 圧縮着火内燃機関

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Publication number: JP4186800B2
Application number: JP2003386975A
Authority: JP
Inventors: 裕史葛山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-11-17
Also published as: JP2005147017A

Description

この発明は、圧縮着火内燃機関に係り、特に火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切り替えて行う圧縮着火内燃機関に関する。

従来より、圧縮着火エンジンとして、低負荷及び中負荷の領域で圧縮着火燃焼を行い、高負荷の領域で火花点火燃焼を行うものがある。このエンジンでは、図１１に示されるように、圧縮着火燃焼時の吸気行程中に、吸気バルブを符号Ａのようなタイミング・リフト量で開くと共に排気バルブを符号Ｂまたは符号Ｃのようなタイミング・リフト量で開くことにより、排気行程で排気バルブから排気通路に排出された高温の排気ガスを燃焼室に還流させて内部ＥＧＲを行い、その結果、燃焼室内を加熱して圧縮着火させる。また、火花点火燃焼時には、高温の排気ガスを使用するとノッキングの発生が促進される虞があるため、吸気行程中に排気バルブを開かないことが望ましい。例えば、特許文献１では、電磁式のバルブ駆動装置を利用して、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時の吸気行程にそれぞれ対応した排気バルブの制御を行っている。

特開２００１−３４９２１９号公報

しかしながら、上述した電磁式のバルブ駆動装置はコストが非常に高いため、最終的にエンジン全体もコストが高くなってしまう問題がある。また、電磁式のバルブ駆動装置を使用して圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とにそれぞれ対応して排気バルブを開閉することは、複雑な制御を伴うものである。さらに、既存のエンジンはカムを使用してバルブの制御を行うものが多い。よって、そのような既存のエンジンを改造して電磁式のバルブ駆動装置を組み込むのは大幅な改造となるため、既存のカム式のエンジンを流用できれば好適である。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができる圧縮着火内燃機関を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、
圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替えて行う圧縮着火内燃機関において、吸気通路及び排気通路が連通される燃焼室と、排気通路中に設けられ、排気通路の開閉を行う排気手段と、吸気通路中に設けられ、カムにより駆動されて吸気通路の開閉を行うと共に、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時のそれぞれの排気行程中と吸気行程中との一方または両方で吸気通路を開く吸気側弁手段と、吸気通路中に設けられ、少なくとも圧縮着火燃焼時の排気行程中に開弁すると共に、火花点火燃焼時の排気行程中の少なくとも前記吸気側弁手段が開いている間は閉弁することで、燃焼室への排気ガスの還流を制御する排気ガス還流制御手段とを備えることを特徴とする。

前記吸気通路は、燃焼室毎に設けられる合流路と、合流路の下流で分岐して燃焼室に連通する第１及び第２吸気分岐路とを備え、前記吸気側弁手段は、第１吸気分岐路に設けられ、圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼の両燃焼時において吸気行程のみ開く第１吸気バルブと、第２吸気分岐路に設けられ、両燃焼時において少なくとも排気行程に開く第２吸気バルブとを含み、前記排気ガス還流制御手段は、第２吸気分岐路に設けられて火花点火燃焼時には第２吸気分岐路を常に遮断すると共に、圧縮着火燃焼時には第２吸気分岐路を常に開通する制御用弁手段であるように構成してもよい。

あるいは、前記吸気側弁手段は、２段カムを介して排気行程及び吸気行程の両方で開く各燃焼室毎に設けられた単一の吸気バルブを含み、前記排気ガス還流制御手段は、吸気通路に設けられて、吸気行程中に開いて吸気を行うと共に、火花点火燃焼時における排気行程の少なくとも前記吸気バルブが開弁する間、閉じて吸気通路を遮断する制御用弁手段であるように構成してもよい。

また、前記燃焼室は複数設けられており、前記吸気側弁手段は、各燃焼室毎に設けられ少なくとも排気行程に開く複数の吸気バルブを含み、前記吸気通路は、少なくとも排気行程に開く前記吸気バルブによって流路が開閉される複数の吸気分岐路と、これら吸気分岐路を一つにまとめる吸気合流路とを備え、前記排気ガス還流制御手段は、吸気合流路に設けられて火花点火燃焼時における排気行程の少なくとも前記吸気バルブが開弁する間、吸気合流路を遮断する制御用弁手段であるように構成してもよい。

さらに、前記燃焼室及び前記吸気通路は第１吸気口及び第２吸気口によって連通されており、前記吸気通路は、その下流端部に、第１吸気口及び第２吸気口の双方を包含するように両吸気口に接続される単一管状の連通室を有し、前記吸気側弁手段は、圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼の両燃焼時において吸気行程のみ前記第１吸気口を開く第１吸気バルブと、少なくとも排気行程に前記第２吸気口を開く第２吸気バルブとを有し、前記排気ガス還流制御手段は、閉弁時に第１吸気口及び第２吸気口が相互に非連通状態となるように前記連通室内を区切るシャッターバルブを有し、該シャッターバルブは、圧縮着火燃焼時の少なくとも排気行程に第１吸気口及び第２吸気口が相互に連通状態となるように開弁するようにしてもよい。

この発明によれば、カムにより駆動されて吸気通路の開閉を行うと共に、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時のそれぞれの排気行程中と吸気行程中との一方または両方で吸気通路を開く吸気側弁手段と、少なくとも圧縮着火燃焼時の排気行程中に開弁すると共に、火花点火燃焼時の排気行程中の少なくとも前記吸気側弁手段が開いている間は閉弁することで、燃焼室への排気ガスの還流を制御する排気ガス還流制御手段とを配置することにより、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１に、実施の形態１に係る圧縮着火内燃機関として、ガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）等に使用される圧縮着火エンジンの１つの燃焼室近傍を平面的にみた模式図を示す。エンジンの燃焼室１に吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２は、吸気合流路４とその先端で２つに分岐した第１吸気分岐路５ａ及び第２吸気分岐路５ｂとからなり、これら２つの吸気分岐路５ａ及び５ｂが第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂを介してそれぞれ燃焼室１に連通されている。また、吸気合流路４には燃料供給通路４ａが連通されており、燃料であるガスが燃料供給通路４ａを通って吸気通路に供給される。これにより、燃料と空気とが燃焼室１への流入前に予め混合された後に燃焼室１内にて圧縮着火燃焼される、いわゆる予混合圧縮着火燃焼が行われる。一方、排気通路３は、排気合流路７と、その先端で２つに分岐した第１排気分岐路８ａ及び第２排気分岐路８ｂとを備えている。

また、２つの吸気口６ａ及び６ｂにはそれぞれ吸気側弁手段としての第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１が配置されており、これら２つの吸気バルブ１０及び１１が図示しない吸気バルブ用のカムを介して開閉駆動される構成になっている。一方、第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂにはそれぞれ排気手段としての第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３が配置されており、これら２つの排気バルブ１２及び１３もまた図示しない排気バルブ用のカムを介して開閉駆動される構成になっている。さらに、吸気合流路４の途中にはこの吸気合流路４を狭めて燃焼室１への新気の流入を制限する吸気制御手段としての吸気スロットル１４ａが取り付けられている。また、排気合流路７には、排気ガスの排圧を制御することができる排気絞り１４ｂが取り付けられている。さらに、第２吸気分岐路５ｂには切替弁１５が排気ガス還流制御手段として設けられている。

ここで、図２を参照して、第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１、並びに第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３を吸気行程及び排気行程においてどのように開閉制御するかについて説明する。この吸気行程及び排気行程における制御は、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時にかかわらず一定の開閉動作となるように行われる。図２に示されるように、排気行程では、従前と同様に第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開かれる。さらに、本実施の形態では、排気行程において、第２吸気バルブ１１が符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開かれる。また、吸気行程では、第１吸気バルブ１０が符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれる。すなわち、第１吸気バルブ１０は吸気行程のみ開弁し、第２吸気バルブ１１は排気行程のみ開弁する。

次に、この実施の形態１に係る圧縮着火エンジンの動作について説明する。このエンジンは、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼を切り替えて駆動され、すなわち、低負荷及び中負荷の領域では圧縮着火燃焼を行い、高負荷の領域では火花点火燃焼を行う。

まず、圧縮着火燃焼時における動作を説明する。この圧縮着火燃焼時において、第２吸気分岐路５ｂの途中に取り付けられた切替弁１５は、排気行程や吸気行程の他、圧縮行程や膨張行程においても、すなわち、圧縮着火燃焼時には全行程を通して常に開いているものとする。

排気行程において、第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開弁すると共に第２吸気バルブ１１が符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開弁する。従って、燃焼室１内で生じた高温の排気ガスが第１排気分岐路８ａ及び第２排気分岐路８ｂを通って排気合流路７へと排出されるだけでなく、高温排気ガスの一部は、切替弁１５が開弁している第２吸気分岐路５ｂを通って吸気合流路４側にも排気される。一方、吸気行程では、吸気スロットル１４ａが開かれて導入される空気及び燃料の混合気（図中点線で示す）に対して、排気行程中に吸気合流路４に排出されていた排気ガス（図中一点鎖線で示す）がＥＧＲガスとして混合され、それらが開弁する第１吸気バルブ１０を介して燃焼室１内に導入・還流される。すなわち、この高温の排気ガスにより燃焼室１内に流入する混合気が加熱され、この状態で圧縮着火が行われる。これにより、着火性の低い天然ガスなどを燃料として効率よく圧縮着火燃焼を行うことができる。

次に、火花点火燃焼時における動作を説明する。この火花点火燃焼時において、切替弁１５は常に閉じられている。排気行程では、第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開かれると、圧縮着火燃焼時の排気行程と同様に、燃焼室１内で生じた高温の排気ガスが第１排気分岐路８ａ及び第２排気分岐路８ｂを通って排気合流路７へ排出される。また、吸気行程においては、吸気スロットル１４ａが開かれた状態で第１吸気バルブ１０が符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれ、空気及び燃料の混合気が第１吸気分岐路５ａを通って第１吸気口６ａから燃焼室１内へ流入する。燃焼室１内に流入した混合気は充分に圧縮され、さらに図示しない点火プラグにより点火されて火花点火燃焼が行われる。

ところで、第２吸気バルブ１１はカムにより開閉タイミングが決定されているため、前述した圧縮着火燃焼時と同様に、火花点火燃焼時においても排気行程に符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開弁してしまう。しかし、本実施の形態では、火花点火燃焼時には排気行程中も含め切替弁１５は常に閉じられるため、第２吸気バルブ１１が開弁していても、第２吸気分岐路５ｂは切替弁１５により遮断される。よって、火花点火燃焼時は、排気行程で排気ガスが吸気合流路４に排出されそれが吸気行程中に第１吸気分岐路５ａを介して燃焼室１内に還流されることが防止される。このように燃焼室１内に排気ガスが還流していない状態で火花点火燃焼を行えるため、高温の排気ガスによりノッキングの発生が促進されることが防止され、これにより安定した火花点火燃焼を行うことが可能となる。

以上のように、第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１と、第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３とを、圧縮着火燃焼時も火花点火燃焼時もカムにより一定の開閉動作で駆動すると共に、切替弁１５を火花点火燃焼時は常に閉じ、圧縮着火燃焼時には常に開くことにより、圧縮着火燃焼時には燃焼室内に高温の排気ガスを還流し且つ火花点火燃焼時には排気ガスを還流しないように容易に制御することができる。
また、カムを介してバルブを開閉駆動することは、既存のエンジンに多く使用されているため、大幅な改造をすることなく、既存のカム式のエンジンを流用することができる。
加えて、本発明の圧縮着火エンジンでは、従来のようにコストが非常に高い電磁バルブ式の駆動装置を使用しないため、エンジン全体のコストを低く抑えられる。

さらに、本実施の形態では、図１１で示したように排気バルブを吸気行程中にも開き、排気行程時に排出した高温排気ガスの一部を吸気行程中に再び排気バルブの開弁を利用して燃焼室内に吸い戻す態様（以下、「比較例」と称する）と比較して次のような利点を有する。比較例及び本実施の形態のそれぞれに関する燃焼運転時のＰ−Ｖ線図を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。なお、図３の縦軸及び横軸は対数軸を用いており、負の仕事部分には斜線を施している。このような図３の結果から分かるように、図３（ｂ）で示された本実施の形態の方が図３（ａ）で示された比較例よりも斜線で示された負の仕事量が少なく効率の良い燃焼運転が行えるようになっている。これは、比較例において排気ガス還流を行うべく、吸気行程中に排気経路側の排気ガスを吸引させる場合、本実施の形態のものよりも排気背圧を高めるか或いは吸気を大きく絞ることが必要となり、その分、ポンピングロスが増大してしまうからである。一方、本実施の形態であれば、ピストンの上昇動作によって吸気側に排気ガスを追い出すだけなので、吸気を絞る必要はなく、また、背圧も上げる必要がない。

なお、上述の実施の形態１では、切替弁１５は、火花点火燃焼時には常に閉じていたが、これに代えて、火花点火燃焼時の吸気行程のみ閉じるようにしてもよく、あるいは、少なくとも第２吸気バルブ１１が開かれる間、すなわち、符号Ｆの期間だけ常に閉じた状態に維持するようにしてもよい。

また、第２吸気バルブ１１の開弁態様を、符号Ｆのようなタイミング・リフト量に代えて、図４に符号Ｆ１で示されるように吸気行程中前半で開いたり、符号Ｆ２で示されるように吸気行程中後半で開いたり、あるいは、符号Ｆ３で示されるように排気行程から吸気行程にまたがって開いたりするなど、少なくとも吸気行程中に開く期間があれば、どのようなタイミング・リフト量であってもよい。なお、排気行程から吸気行程にまたがって開く場合には、吸気行程において第１吸気バルブ１０だけでなく第２吸気バルブ１１も吸気に寄与することができるため、より多量の混合気を燃焼室１内に吸気することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２を説明する。この実施の形態２の圧縮着火エンジンは、図１に示した実施の形態１の圧縮着火エンジンにおいて、第２吸気バルブ１１が吸気行程中も第１吸気バルブ１０と同様に開くようにしたものである。すなわち、一例として、図２において、排気行程では第２吸気バルブ１１が実施の形態１と同様に符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開かれ、吸気行程では、第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１の双方が符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれる。第２吸気バルブ１１のこのような開閉動作は、突起を二つ有する２段カムを第２吸気バルブ１１用のカムとして用いることで実現される。また、本実施の形態では、火花点火燃焼時の吸気行程中には第２吸気バルブ１１に吸気機能を発揮させ、且つ、火花点火燃焼時の排気行程中には第２吸気バルブ１１が開弁していても排気ガスが吸気合流路４へと排出されないようにする必要があることから、切替弁１５は火花点火燃焼時の排気行程中のみ閉じるようにしている。また、図１においては、構成の明瞭性を優先するため、切替弁１５と第２吸気バルブ１１とがある程度離されて図示されているが、実際には両者は極めて接近して配置されているものとする。

以上のような構成によれば、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態２では、吸気行程において第１吸気バルブ１０だけでなく第２吸気バルブ１１も開くことから、２つのバルブを使用して吸気することができ、より多量の吸気を効率よく行うことができる。

なお、第２吸気バルブ１１が排気行程及び吸気行程の双方で開く態様の他の例として、第２吸気バルブ１１を図５に示される符号Ｆ’のようなタイミング・バルブ量で開くようにしてもよい。なお、図５では、第２吸気バルブ１１の開閉動作を優先して説明するため、他のバルブのタイミング・リフト量は重畳して図示することを省略している。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３を図６により説明する。この実施の形態３の圧縮着火エンジンは、上述した実施の形態において各燃焼室毎に設けられていた切替弁を、吸気系として一つだけ設ける態様で実施するものである。図６に示されるように、直列４気筒の圧縮着火エンジンにおいて、４つの燃焼室２１には、吸気通路２２及び排気通路２４が接続されている。排気通路２４は、各気筒の燃焼室２１毎に２つ設けられる排気分岐路２４ａと、その上流で排気分岐路２４ａの合計８本分がまとめられる排気集合路２４ｂとを備えている。排気絞り２３は、かかる排気集合路２４ｂに設けられている。

一方、吸気通路２２は、図１の第１吸気分岐路５ａに相当する４本の第１吸気分岐路２２ａと、これら４本の第１吸気分岐路２２ａを下流でまとめる第１吸気合流路２２ｂと、図１の第２吸気分岐路５ｂに相当する４本の第２吸気分岐路２２ｃと、これら４本の第２吸気分岐路２２ｃを下流でまとめる第２吸気合流路２２ｄと、第１及び第２吸気合流路２２ｂ及び２２ｄをその下流でまとめる吸気集合路２５とを備える。切替弁２６（なお、構成は切替弁１５と同様である）は、各燃焼室に共通のものとして、第２吸気合流路２２ｄに一つだけ設けられている。

かかる圧縮着火エンジンにおいては、各燃焼室２１に設けられた第１吸気バルブ及び第２吸気バルブ、並びに第１排気バルブ及び第２排気バルブは、実施の形態１又は２における動作と同様に開閉制御される。また、切替弁２６も上記の実施の形態と同様に、火花点火燃焼の少なくとも排気行程において少なくとも第２吸気バルブが開弁している間だけは閉じられている。したがって、各燃焼室毎に切替弁を設けなくても、上記と同様の効果を奏することが可能となっている。
なお、本実施の形態は、後述する実施の形態と組み合せて実施することも当然可能であり、切替弁２６は、バタフライタイプだけでなく揺動タイプ、シャッタータイプなど他の型式の弁手段を広く用いることができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４を図７によって説明する。この実施の形態４の圧縮着火エンジンは、上記の実施の形態１において、バタフライタイプの切替弁１５に代えて、揺動タイプの弁体を備えた切替弁４１５を排気ガス還流制御手段の制御用弁手段として用いるものである。よって、他の構成については上記実施の形態１と同様であるものとする。切替弁４１５は、第１吸気分岐路５ａ及び第２吸気分岐路５ｂの叉部に設けられた支点４１５ａと、かかる支点４１５ａを中心に揺動可能な弁体４１５ｂとを備えている。そして、図中点線で示される位置に弁体４１５ｂが移動している状態で第１吸気分岐路５ａが遮断され、図中実線で示される位置に弁体４１５ｂが移動している状態で第２吸気分岐路５ｂが遮断される。第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１のそれぞれの開閉タイミングについては、上述した実施の形態の態様を適宜採り得るが、その代表例として図２のタイミング・リフト量を行うものとして説明する。

まず、圧縮着火燃焼時の排気行程において、第１吸気バルブ１０は閉じられており、第２吸気バルブ１１は図２の符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開かれる。また、切替弁４１５は、図７中に点線で示される位置に弁体４１５ｂが移動していて第２吸気分岐路５ｂが開放されている。これによって、燃焼室１内の高温排気ガスの一部が第２吸気分岐路５ｂから吸気合流路４に流入する。次に、圧縮着火燃焼時の排気行程では、第１吸気バルブ１０が図２の符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれ、第２吸気バルブ１１は閉じられる。また、切替弁４１５は、図７中に実線で示される位置に弁体４１５ｂが移動し第１吸気分岐路５ａを開放状態にする。これによって、排気行程中に吸気合流路４に流出した高温排気ガスは第１吸気分岐路５ａ及び第１吸気口６ａを介して燃焼室１内に吸引・還流する。一方、火花点火燃焼時では、切替弁４１５は、排気行程及び吸気行程を通して図７中に実線で示される位置に弁体４１５ｂがある。このため、排気行程で第２吸気バルブ１１が開弁しても高温排気ガスが吸気合流路４に吐き出されることがなく、火花点火燃焼時に高温排気ガスが燃焼室１内に還流されてしまうことが防止される。

なお、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時における切替弁４１５の弁体４１５ｂの位置については、上記の態様に限定されるものではなく、第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１の開閉態様との組み合せを考慮して圧縮着火燃焼時に排気ガス還流を行うことができ火花点火燃焼時に逆に還流を防止することができれば、適宜改変することが可能である。例えば、圧縮着火燃焼時は排気行程及び吸気行程を通して弁体４１５ｂを図７中一点鎖線で示す中立位置にしておき、第２吸気バルブ１１を排気行程及び吸気行程の双方で開くようにしてもよい。この場合、排気行程中に吸気合流路４に吐き出された高温排気ガスは吸気行程で新気と混合されて第１吸気分岐路５ａ及び第２吸気分岐路５ｂという二つの経路から吸引可能となる。よって、より多量の吸気を燃焼室１に送り込むことができる。なお、かかる態様でも火花点火燃焼時の排気行程で弁体４１５ｂを図７に実線で示す位置にしておけば、高温排気ガスが第２吸気分岐路５ｂ、吸気合流路４、第１吸気分岐路５ａを経て燃焼室１内に還流されることが防止される。

実施の形態５．
次に、図８をもとに本発明の実施の形態５を説明する。本実施の形態は、上述したバタフライタイプや揺動タイプの弁体を備えた切替弁から更に代わる、シャッタータイプの弁体を備えた切替弁を、排気ガス還流制御手段の制御用弁手段として用いるものである。よって、他の構成については上記実施の形態１等と同様であるものとする。また、図８は、シャッタータイプの弁構成の説明を優先するために図１の態様に対して吸気経路部分のみを立体的に図示し、また排気系統は図示省略している。燃焼室１の上部には、上記実施の形態と同様に第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂが設けられている。これら第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂには吸気通路５０２が接続される。吸気通路５０２は、第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂの双方を包含するように両排気口に接続される単一管状の連通室５０５と、その上流に設けられている吸気本通路５０４とを備えている。連通室５０５内には、高さの低い仕切り５５１が立設されている。仕切り５５１は、第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂが形成されている壁部であって連通室５０５の底面でもある底壁部５５３において、それら第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂの間の部分から立ち上がっている。また、連通室５０５には、シャッターバルブ５１５が設けられている。シャッターバルブ５１５は、仕切り５５１と当接又は離隔するようにスライド可能に設けられる。シャッターバルブ５１５が閉弁状態すなわち仕切り５５１と当接状態にある場合には、連通室５０５内が燃焼室１を介さずには連通不能な第１吸気室５０５ａと第２吸気室５０５ｂとに区分けされる。すなわち、シャッターバルブ５１５によって第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂが相互に非連通状態となるように連通室５０５内が区切られる。シャッターバルブ５１５の閉弁状態では、第１吸気室５０５ａは吸気本通路５０４と連通する部屋となり、第２吸気室５０５ｂは吸気本通路５０４とは隔離した部屋となる。

次に、このような構成の圧縮着火エンジンの動作について説明する。シャッターバルブ５１５の開閉タイミングは上記実施の形態１の切替弁１５と同様であり、また、第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１の開閉タイミングも実施の形態１と同様である。従って、圧縮着火燃焼時における排気行程では、第２吸気バルブ１１が開弁されると共に第１吸気バルブ１０が閉弁され、且つ、シャッターバルブ５１５は開弁される。一方、圧縮着火燃焼時の吸気行程では、第２吸気バルブ１１が閉弁されると共に第１吸気バルブ１０が開弁され、且つ、シャッターバルブ５１５は開弁状態に維持される。これによって、排気行程中に連通室５０５に排気され第２吸気口６ｂ近傍に存在する排気ガスは、図中実線矢印で示されるように、シャッターバルブ５１５及び仕切り５５１の間を通って、第１吸気口６ａから燃焼室１内に還流される。

また、火花点火燃焼時においても、第１吸気バルブ１０及び第２吸気バルブ１１は圧縮着火燃焼時の場合と同様な開閉動作を行う。しかしながら、シャッターバルブ５１５が常に閉じられた状態で維持されるので、燃焼室１の高温排気ガスは、排気行程中に連通室５０５に排気され吸気行程で第１吸気口６ａを介して燃焼室１内に吸い戻されることが防止される。このように本実施の形態においても、実施の形態１等の場合と同様の作用効果を得ることができる。

また本実施の形態では、圧縮着火燃焼時の排気ガスの還流は、排気行程で排気され連通室５０５に内に存在している排気ガスを、同じ連通室５０５から第１吸気口６ａを介して単純に燃焼室１へ吸い込むだけに過ぎないため、実施の形態１のように第１吸気分岐路５ａ及び第２吸気分岐路５ｂの叉部を回り込ませて吸い戻す態様と比べて、より短距離且つ流路抵抗の少ない態様で排気ガスの還流が行える。よって、より効率の良いＥＧＲを実現できる。

なお、本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様な改変を施すことができる。すなわち、シャッターバルブ５１５を火花点火燃焼時の吸気行程のみ閉じるようにしてもよく、あるいは、少なくとも第２吸気バルブ１１が開かれる間だけ常に閉じた状態に維持するようにしてもよい。

また、シャッターバルブ５１５による連通室５０５内の区切り態様は次のようにすることもできる。図９に示されるように、連通室５０５内に、単体で当該連通室５０５内を第１吸気室５０５ａと第２吸気室５０５ｂとに区分けできる仕切り６５１を設ける。仕切り６５１は、第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂの間から延びており、その周縁が連通室５０５の底面や側面に接続されている。また、仕切り６５１における下部すなわち第１吸気口６ａ及び第２吸気口６ｂの近傍部分には、連通口６５５が穿設されている。さらに、この連通口６５５を選択的に開放及び閉塞できるように、連通室５０５に対してシャッターバルブ５１５を設ける。このような構成においても、圧縮着火燃焼の吸気行程時に、実線矢印で示すように連通口６５５を介して排気ガスの還流を行うことができ、図８の構成と同様な作用を得ることができる。

実施の形態６．
次に、本発明の実施の形態６を、図１０を用いて説明する。この実施の形態６の圧縮着火エンジンは、上記の実施の形態１において、吸気バルブを二つではなく一つとしたものである。燃焼室１には１つの吸気口６３２が形成されており、この吸気口６３２に図示しない２段カムを介して開閉駆動される吸気側弁手段としての吸気バルブ６３１が配置されている。すなわち、吸気バルブ６３１は２段カムの作用によって排気行程と吸気行程との双方において開弁される。また、吸気口６３２には吸気通路６３３が接続されており、吸気通路６３３における吸気口６３２のごく近く（図１０では図解の都合上、ある程度離して図示しているが）には、切替弁６１５が設けられている。切替弁６１５は、火花点火燃焼時において少なくとも排気行程中に吸気バルブ６３１が開弁する間だけ閉じられるようになっている。なお、吸気バルブ６３１の開閉態様については、図２、図４及び図５の各工程の開閉態様を適宜、選択・組み合せて実施することができる。

かかる構成の本実施の形態においては、圧縮点火燃焼では、排気行程及び吸気行程共に、切替弁６１５が開かれる。よって、排気行程中に吸気通路６３３に吐き出された高温排気ガスは、吸気行程中に新気と共に再び燃焼室１内に吸い戻される。一方、火花点火燃焼時においては、排気行程中は切替弁６１５が閉じられ、吸気行程中は切替弁６１５が開かれる。よって、同じカムにより圧縮点火燃焼時と同様に火花点火燃焼時の排気行程中にも吸気バルブ６３１が開弁する態様となっていても、排気ガスは排気行程中に吸気通路６３３に吐き出され更に吸気行程中に再び燃焼室に吸い戻されることはない。すなわち、かかる本実施の形態においても、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態６のように２段カムを利用して排気・吸気行程の双方に開く排気バルブを、各燃焼室に２つずつ設けるようにしてもよい。本実施の形態を実施の形態３の特徴と組み合せて実施し、すなわち各吸気バルブ６３１毎に切替弁６１５を設ける態様に代えて、複数の吸気バルブ６３１に共通の切替弁を割り当てる態様でもよい。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な改変を施して実施することができる。例えば、実施の形態３では、全ての吸気分岐路を一つの吸気合流路に合流させ、その一つの吸気合流路に一つの切替弁が設けられていたが、必ずしもそれに限定されず、例えば、Ｖ型エンジンにおいて、複数の吸気分岐路を最終的に二つの吸気合流路に合流させ、各吸気合流路に一つずつの切替弁、すなわち合計二つの切替弁を配置するようにしてもよい。すなわち、少なくとも二つ以上の吸気分岐路を一つの吸気合流路に合流させ、その吸気合流路に一つの割合で切替弁を配置するようにすれば、切替弁の数を減らすことができる。

上述の実施の形態における吸気スロットルは、バタフライ型のバルブの他に、実施の形態５に示したようなシャッターバルブ等を使用することもできる。また、必要に応じて、切替弁やシャッターバルブの開度を変えることで、排気ガス還流量を調整するようにしてもよい。

また、圧縮着火燃焼と火花着火燃焼とを切り替えるタイミングは、エンジンの負荷を基準とすることには限定されない。さらに、上記実施の形態では、予混合圧縮着火燃焼と火花着火燃焼とを切り替える態様として説明されているが、本発明はこれに限定されず、予混合タイプではない単なる圧縮着火燃焼（燃焼室内に配置された燃料噴射弁から、ピストンにより圧縮された気体中に燃料を直接噴射する点火方式）と火花着火燃焼とを切り替える態様に適用することも可能である。

さらに、上述の実施の形態では、燃料として天然ガスを使用していたが、その代わりに、都市ガス及びプロパンガス等のガス燃料をそのまま使用することができる。また、本発明の圧縮着火内燃機関は、ガソリンや軽油などを燃料として実施してもよい。さらに、エンジンの気筒の数は４気筒に限られず、６気筒や８気筒でもよく、その形式も直列型だけでなくＶ型や水平対向型などでもよく、特に限定されるものではない。また、各気筒に関する吸気通路の数や吸気バルブの数も上記の実施の形態に限定されるものではない。

また、切替弁は可能な限り吸気バルブに近い位置に設置する方が好ましく、それによれば、吸気バルブと切替弁との間に残留した排気ガスが吸気行程中に還流してしまうことを極力回避することができる。

本発明の実施の形態１に係る圧縮着火エンジンの燃焼室近傍を平面的にみた模式図である。実施の形態１におけるバルブの開閉動作を示す図である。本発明と比較例とのそれぞれに関する運転時のＰ−Ｖ線図である。バルブの開閉動作の他の例を示す図である。バルブの開閉動作のさらに他の例を示す図である。実施の形態３に関し、吸気・排気の系統を示す模式図である。実施の形態４における図１と同態様の図である。実施の形態５における図１とほぼ同態様の図である。実施の形態５に関し、図８の構成と異なる連通室の仕切り態様を示す図である。実施の形態６における図１と同態様の図である。従来の圧縮着火エンジンにおけるバルブの開閉動作を示す図である。

符号の説明

１，２１燃焼室、２，２２，６３３吸気通路、３，２４排気通路、１０第１吸気バルブ（吸気側弁手段）、１１第２吸気バルブ（吸気側弁手段）、１２第１排気バルブ、１３第２排気バルブ、１５，２６，４１５，６１５切替弁（排気ガス還流制御手段）、６３１排気バルブ、５０５連通室、５１５シャッターバルブ。

Claims

圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替えて行う圧縮着火内燃機関において、
吸気通路及び排気通路が連通される燃焼室と、
排気通路中に設けられ、排気通路の開閉を行う排気手段と、
吸気通路中に設けられ、カムにより駆動されて吸気通路の開閉を行うと共に、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時のそれぞれの排気行程中と吸気行程中との一方または両方で吸気通路を開く吸気側弁手段と、
吸気通路中に設けられ、少なくとも圧縮着火燃焼時の排気行程中に開弁すると共に、火花点火燃焼時の排気行程中の少なくとも前記吸気側弁手段が開いている間は閉弁することで、燃焼室への排気ガスの還流を制御する排気ガス還流制御手段と
を備えることを特徴とする圧縮着火内燃機関。
前記吸気通路は、燃焼室毎に設けられる合流路と、合流路の下流で分岐して燃焼室に連通する第１及び第２吸気分岐路とを備え、
前記吸気側弁手段は、第１吸気分岐路に設けられ、圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼の両燃焼時において吸気行程のみ開く第１吸気バルブと、第２吸気分岐路に設けられ、両燃焼時において少なくとも排気行程に開く第２吸気バルブとを含み、
前記排気ガス還流制御手段は、第２吸気分岐路に設けられて火花点火燃焼時には第２吸気分岐路を常に遮断すると共に、圧縮着火燃焼時には第２吸気分岐路を常に開通する制御用弁手段である、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
前記吸気側弁手段は、２段カムを介して排気行程及び吸気行程の両方で開く各燃焼室毎に設けられた単一の吸気バルブを含み、
前記排気ガス還流制御手段は、吸気通路に設けられて、吸気行程中に開いて吸気を行うと共に、火花点火燃焼時における排気行程の少なくとも前記吸気バルブが開弁する間、閉じて吸気通路を遮断する制御用弁手段である、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
前記燃焼室は複数設けられており、
前記吸気側弁手段は、各燃焼室毎に設けられ少なくとも排気行程に開く複数の吸気バルブを含み、
前記吸気通路は、少なくとも排気行程に開く前記吸気バルブによって流路が開閉される複数の吸気分岐路と、これら吸気分岐路を一つにまとめる吸気合流路とを備え、
前記排気ガス還流制御手段は、吸気合流路に設けられて火花点火燃焼時における排気行程の少なくとも前記吸気バルブが開弁する間、吸気合流路を遮断する制御用弁手段である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮着火内燃機関。
前記燃焼室及び前記吸気通路は第１吸気口及び第２吸気口によって連通されており、
前記吸気通路は、その下流端部に、第１吸気口及び第２吸気口の双方を包含するように両吸気口に接続される単一管状の連通室を有し、
前記吸気側弁手段は、圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼の両燃焼時において吸気行程のみ前記第１吸気口を開く第１吸気バルブと、少なくとも排気行程に前記第２吸気口を開く第２吸気バルブとを有し、
前記排気ガス還流制御手段は、閉弁時に第１吸気口及び第２吸気口が相互に非連通状態となるように前記連通室内を区切るシャッターバルブを有し、該シャッターバルブは、圧縮着火燃焼時の少なくとも排気行程に第１吸気口及び第２吸気口が相互に連通状態となるように開弁する、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。