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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、特に先行気筒の排気を後続気筒に導入して再度燃焼させるように構成したエンジンの技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、自動車等の車両用エンジンにおいて、各気筒内に導入する混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼させることにより燃費改善を図る技術が知られている。このような希薄燃焼型エンジンにおいては、排気浄化用の触媒として三元触媒(HC、CO、及びNOxに対して理論空燃比付近で浄化性能の高い触媒)を備えただけではリーン運転時にNOxに対して十分な浄化性能が得られないため、酸素過剰雰囲気でNOxを吸着し、酸素濃度低下雰囲気でNOxの離脱・還元を行うリーンNOx触媒を設けることがある。そして、このようなリーンNOx触媒を用いる場合、リーン運転中にリーンNOx触媒のNOx吸着量が増大したときは、排気の空燃比をリッチ化するとともにCOを生成し、これによってNOxの離脱・還元を促進するようにしている。
【0003】
しかしながら、リーンNOx触媒はNOx吸着量をある程度確保するために比較的大容量なものが必要となり、また、三元触媒と比べて高価であるため、コスト的に不利となる。さらに、リーンNOx触媒の浄化性能を維持するためには、例えばリーン運転が続いてNOx吸着量が増大し飽和状態になったときには、上述のように、NOxの離脱・還元のために追加燃料の供給等による一時的な空燃比のリッチ化を行う必要があるので、リーン燃焼による燃費改善効果が低減することになる。
【0004】
そこで、リーン運転をしながらも、大気へのNOx放出量を減少させ、もってリーンNOx触媒を不要とする技術が要望されており、そのためには、例えば特許文献1に開示されている技術を応用することが考えられる。すなわち、多気筒エンジンにおいて、第1シリンダ(先行気筒)からの排気を第2シリンダ(後続気筒)に導入するための管路を設け、これらの2つのシリンダで混合気を2段燃焼するのである。つまり、先行気筒においてはリーン燃焼を行うが、該先行気筒から排出されたリーン燃焼の排気を後続気筒に導入して再燃焼させることにより、リーンの排気をそのまま大気に放出しないようにするのである。これにより、リーンNOx触媒が不要となる。その場合、特に、後続気筒では、例えば先行気筒から導入されたO2濃度に見合う量の燃料を供給する等して理論空燃比による燃焼を行い、この後続気筒の排気を大気側に開放することで、三元触媒だけで十分に排気の浄化が行われるようになる(本出願人による特願2002−024548号明細書参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開昭61−46421号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、先行気筒で生成した排気を後続気筒で再燃焼するためには、先行気筒から後続気筒に排気を導入するための排気導入通路が必要となるが、該排気導入通路を備えたエンジンを既存のエンジンルームに収めるためには、該排気導入通路のコンパクト化(例えば、エンジン本体からの突出度合いが少ないこと等)が要求され、その結果、排気導入通路はできるだけ短縮化される傾向にある。さらに、先行気筒と後続気筒とが隣接するような場合は、排気導入通路は短いうえに、例えばU字状に曲折される。その結果、排気導入通路は、先行気筒から後続気筒に至る間に、直線距離が確保できず、後続気筒の燃焼室で十分な吸気流動が確保できなくなり、後続気筒における燃焼性が低下し、先行気筒で発生したリーン排気がそのまま排出されるというような事態が起こる。
【0007】
そこで、本発明は、リーンNOx触媒を不要とするために先行気筒のリーン排気を後続気筒で再度燃焼するようにしたエンジンにおいて、後続気筒における燃焼性を向上させることを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では次のように構成したことを特徴とする。
【0009】
まず、請求項1に記載の発明は、偶数個の気筒を備え、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の気筒である先行気筒の排気を吸気行程側の気筒である後続気筒に導入して再度燃焼させるエンジンであって、上記排気導入用のポートが後続気筒に備えられ、該排気導入ポートはヘリカルポートとされていると共に、後続気筒の新気を導入する吸気ポートは、タンブル流もしくはスワール流を生成可能な略ストレートなストレートポートとされ、かつ、先行気筒から大気への排気の排出を停止させる先行気筒用排気停止手段と、先行気筒から後続気筒への排気の導入を停止させる排気導入停止手段と、後続気筒への新気の導入を停止する後続気筒用新気導入停止手段とが備えられていると共に、上記排気導入停止手段のみを作動状態とする通常モードと、上記先行気筒用排気停止手段と後続気筒用新気導入停止手段とを作動状態とする再燃焼モードとに、運転状態に応じて切り替える切替手段が備えられており、上記再燃焼モードにおいて、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼するように先行気筒への新気導入量及び燃料供給量の少なくとも一方を制御し、後続気筒では理論空燃比で燃焼するように後続気筒への排気導入量及び燃料供給量の少なくとも一方を制御する空燃比制御手段が備えられていることを特徴とする。
【0010】
この発明によると、排気導入ポートをヘリカルポートとしたことによって、後続気筒の燃焼室内にスワール流を形成することができ、排気導入通路において直線距離が十分に確保できない場合でも、後続気筒の燃焼室内に吸気流動を形成することができ、後続気筒での燃焼性が向上する。したがって、先行気筒から導入したリーンな排気を後続気筒で例えば理論空燃比燃焼(λ=1燃焼)もしくはリッチ燃焼を行う場合に、後続気筒における燃焼性を向上することで、NOxを偏って多量に含むリーン排気がそのまま大気に放出されることが確実に回避され、リーンNOx触媒が不要となる。
【0012】
また、上記ストレートポートにおいては、燃焼室内に吸気流動を形成するために十分な直線距離を確保することができるので、燃焼室内にタンブル流もしくはスワール流を形成し、かつ吸気充填効率を確保することができる。
【0013】
さらに、この発明によると、通常モードでは後続気筒に新気を導入して燃焼を行い、再燃焼モードでは後続気筒に先行気筒からの排気を導入して燃焼を行う。そして、上記各停止手段を制御することによって、高負荷高回転側の運転領域では通常モード、低負荷低回転域では再燃焼モードとするような切り替えを容易に行うことができる。
【0014】
そして、再燃焼モードにおいて、先行気筒では、該先行気筒への新気導入量及び燃料供給量の少なくとも一方を制御してリーン空燃比での燃焼が行われて、熱効率が高められると共にポンピングロスが低減されることにより燃費が改善され、また、後続気筒では、該後続気筒への排気導入量及び燃料供給量の少なくとも一方を制御して理論空燃比とされた状態で燃焼が行われて、後続気筒から排出される理論空燃比燃焼の排気のみが排出されるから、三元触媒だけで十分に効率よくHC、CO、NOxの排気浄化性能が得られる。
【0017】
次に、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、排気マニホールドのシリンダヘッドへの取付フランジには、先行気筒の第1の排気ポートと後続気筒の排気導入ポートとを連通する排気導入通路と、先行気筒の第2の排気ポートから大気に排気を排出する先行気筒側排気通路と、後続気筒の排気ポートから大気に排気を排出する後続気筒側排気通路とが設けられ、上記排気導入通路は断面積が略一定の形状とされていると共に、上記先行気筒側及び後続気筒側排気通路の断面はシリンダヘッドへの取付面側の開口が偏平形状とされ、下流側に向けて断面積を漸増しながら真円形状へと変化していることを特徴とする。
【0018】
この発明によると、既存の排気マニホールドのフランジ部分の内部に排気導入通路を形成したから、該通路をエンジン本体より突出させて外部に新たに設ける必要がなくなり、コンパクト性が維持される。
【0019】
また、排気導入通路の断面積を略一定の形状とすることによって、先行気筒から排出された排気が膨張することによる温度低下が回避され、後続気筒における着火性が維持されて、この点からも後続気筒の燃焼性が向上する。
【0020】
一方、先行気筒側及び後続気筒側排気通路は、同様にフランジ内に形成される排気導入通路との干渉のため、該排気通路をフランジ内に形成するためのスペースが制限される。そこで、この発明によると先行気筒側及び後続気筒側排気通路のシリンダヘッドへの取付面側の開口を偏平に形成することによって、排気導入通路との干渉を回避すると共に、下流側の向けて断面積を漸増するように真円に形成することによって、排気効率を向上することができる。
【0021】
次に、請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、先行気筒では火花強制着火を行い、後続気筒では圧縮自己着火を行うように着火を制御する着火制御手段が備えられていることを特徴とする。
【0022】
この発明によると、後続気筒で行われる圧縮自己着火は、燃焼室全体が一気に燃焼するため、効率良く燃焼が仕事に寄与する。また、ヘリカルポートによって形成されたスワール流は、圧縮行程終期にまで流動するので、圧縮による自然着火燃焼を行う場合の燃焼性の向上に有利である。
【0023】
次に、請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の発明において、排気マニホールドの下流には三元触媒が配設されていると共に、該排気マニホールドが2重管構造とされていることを特徴とする。
【0024】
この発明によると、排気マニホールドを2重管構造とすることによって、排気は、温度を下げることなく下流に配設された三元触媒に導入することができるので排気の浄化性能が向上する。
【0025】
【発明の実施の形態】
まず、本実施の形態に係るエンジン1の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るエンジン1の概略構成を示す。このエンジン1は、火花点火式直噴エンジンであり、シリンダブロック3やシリンダヘッド4(図2参照)等で構成されるエンジン本体2には、4つの気筒(図1における上から順に、1番気筒A,2番気筒B,3番気筒C,4番気筒D)が備えられている。なお、1番気筒Aと4番気筒D、及び2番気筒Bと3番気筒Cとはそれぞれ類似の構成を有している。
【0026】
図2に示すように、各気筒A,B,C,D(図例は、1番気筒Aである)には、ピストン11によって画成された燃焼室12が形成されている。この燃焼室12の上部中央には点火プラグ13が設置されていると共に、側部から該燃焼室12内を臨むように燃料噴射弁14が備えられている。また、各気筒A〜Dの燃焼室12…12に開口して吸気ポート15…15及び排気ポート16…16が設けられている(1,4番気筒A,Dの排気ポートは、特許請求の範囲における第2の排気ポートに相当する)。さらに、2、3番気筒には排気導入ポート17が、1、4番気筒には排気導出ポート18(第1の排気ポート)がそれぞれ設けられる。これらのポート15〜18が図2のカムシャフト19,20によって駆動される吸気弁21…21および排気弁22…22、2、3番気筒B,Cの排気導入弁23、1、4番気筒A,Dの排気導出弁24によりそれぞれ開閉されるようになっている。なお、点火プラグ13は、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路25に接続されている。なお、図1で斜線で示された各弁は、後述する弁停止機構70を有する弁を表す。
【0027】
上記燃料噴射弁14は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、パルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。なお、この燃料噴射弁14には、図外の燃料ポンプにより燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程での燃焼室12内の圧力よりも高い燃料圧力を与えうるように燃料供給系統が構成されている。
【0028】
各気筒A〜Dには、燃焼室12…12に開口する一対の吸気ポート15…15は、新気を導入する吸気管30の下流側に配設された吸気マニホールド31の下流端にそれぞれ接続されている。また、吸気マニホールド31の各管内部には多連スロットル弁32…32が備えられ、この多連スロットル弁32…32を制御信号に応じてアクチュエータ33により駆動することによって、新気導入量が調節される。なお、吸気管30には吸気流量を検出し、この流量データを後述するECU(コントロールユニット)に送るエアフローセンサ34が設けられている。
【0029】
また、排気ポート16…16は、排気マニホールド40をシリンダヘッド4に取り付けるためのフランジ部41に設けられた大気側排気通路42…42を介して排気マニホールド40に連通する(1、4番気筒A,Dについて上記通路42は「先行気筒側排気通路」に、2、3番気筒B,Cについて上記通路42は「後続気筒側排気通路」に相当する)。排気マニホールド40は、下流側で1本の排気管43に集合する。該排気管43の下流には、排気中の酸素濃度を検出するO2センサ44とさらに下流には三元触媒45が配設されている。この三元触媒45は、排気の空燃比が理論空燃比(空気過剰率λ=1)付近にあるときにHC、CO、及びNOxに対して高い浄化性能を示す触媒である。一方、1、4番気筒A,Dの排気導出ポート18は、それぞれ上記フランジ部41に設けられた排気導入通路46,46を介して2、3番気筒B,Cの排気導入ポート17に連通する。この排気導入ポート17の中間部には、リニアO2センサ47,47が設けられている。このリニアO2センサ47,47は、1、4番気筒A,Dからの排気のリーン度合いを検出する。
【0030】
次に、排気導入ポート17の構造について図3を用いて説明すると、図3は、2番気筒Bの各ポート15,15,16,17を表すシリンダヘッド4の平断面図であり、排気導入ポート17は、ヘリカルポート17とされている。該ヘリカルポート17は、該ポート17が下流側に向かうに従って螺旋状に旋回するポートで、燃焼室12内に横方向の渦流(スワール流)を形成する。これに対して、各吸気ポート15,15及び排気ポート16の形状は、ほぼ直線状に燃焼室12に至る略ストレート形状である。
【0031】
排気マニホールド40の構造について図4及び図5を用いて説明する。排気マニホールド40は、フランジ部41に形成された各大気側排気通路42…42にそれぞれ連通する4本の鋼管製の枝管40a,40b,40c,40dで構成される。そして、各枝管40a,40b,40c,40dは、湾曲してフランジ部41中央下部に集合し、外周を内管50に覆われる。さらに、該内管50の周囲を所定距離を隔てて覆う外管51が備えられて、2重管構造とされている。また、各枝管40a,40b,40c,40dから導入される排気ガスを二分して下流側に導く耐熱金属製の仕切り板53が設けられている。一方、内管50と外管51との間の空間部にはステンレスワイヤメッシュ等から成るスペーサ52が介設されている。排気マニホールド40の下流端付近には、内管50を排気管43に接続するためのフランジ54が設けられ、両者はボルト55,55で接続され、いわゆる4−2−1タイプの排気系を構成している。
【0032】
図6は、フランジ部41のシリンダヘッド4への取付け面を示す。フランジ部41の内部には4本の大気側排気通路42…42と一対の排気導入通路46,46とが形成されている。フランジ部41に形成された大気側排気通路42…42のシリンダヘッド4への取り付け面側の開口60…60は、上下に長い楕円形の偏平形状である。そして、図7に示すように、大気側排気通路42…42は、下流側に向かってそれぞれフランジ部41内で断面形状を漸増するように変化させて、排気マニホールド40側の開口61…61は真円形状となるようにフランジ部41内部に形成される。なお、このフランジ部41は、小型化、軽量化のために肉抜きを施す場合がある。一方、排気導入通路46,46は、1、4番気筒A,Dに備えられた排気導出ポート18の断面積を一定に保ちながらフランジ部41内でU字状に折り返し、2、3番気筒B,Cに備えられた排気導入ポート17に至る。そのため、フランジ部41は、少なくとも排気導入通路46,46の断面積を確保できるだけの幅、厚みを有する。
【0033】
次に、図8を用いて弁停止機構70について説明すると、弁停止機構70は、1、4番気筒A,Dの排気弁23と排気導出弁24及び2、3番気筒B,Cの吸気弁21…21と排気導入弁22(図1の斜線で表された弁)に対応するタペット71…71に形成されている。該タペット71は、弁作動用のセンタタペット72と弁停止用のサイドタペット73とに分割された構造である。また、センタタペット72とサイドタペット73の結合、離脱を行う油圧式のロック機構74を備えている。センタタペット72と両サイドタペット体75,76には貫通孔80,81,82が設けられており、該貫通孔にはブッシュ83,84,85がそれぞれ挿入固定されている。そして、ブッシュ83,84,85の内側には、油圧プランジャ86、ロックピン87、及びプランジャ88がそれぞれ移動可能な状態で嵌合している。また、ブッシュ84,85には油圧プランジャ86、ロックピン87、及びプランジャ88を所定の位置に戻すリターンスプリング89,90がそれぞれ備えられている。
【0034】
油圧プランジャ86は、油圧が作用すると、ロックピン87側に移動して、ロックピン87及びプランジャ88をサイドタペット体76側に押す。このとき、油圧プランジャ86とロックピン87の接触部分及びロックピン87とプランジャ88の接触部分ががセンタタペット72とサイドタペット73との分割部分と略面一になって、センタタペット72がサイドタペット73から離脱し、ロック解除状態となる。また、油圧が開放されると、リターンスプリング89,90がロックピン87及びプランジャ88をサイドタペット体75側に押し返し、ロックピン87がセンタタペット72とサイドタペット体75の分割部分、プランジャ88がセンタタペット72とサイドタペット体76の分割部分にそれぞれ嵌り、それらが協働してセンタタペット72とサイドタペット73とを結合し、ロック状態となる。
【0035】
このように、ロック機構74は油圧によりロック状態とロック解除状態とに切換可能で、ロック状態においては、センタタペット72とサイドタペット73とが結合し、サイドタペット73とカム91により駆動されるセンタタペット72とが協働して弁をリフトさせる。また、ロック解除状態においては、センタタペット72がサイドタペット73から離脱して図示しないロストモーションスプリングによりカム91に押圧された状態で自由移動し、弁停止用真円カム92がサイドタペット73を介して、弁を作動停止とする。
【0036】
続いて、本実施の形態に係るエンジン1の作用効果を説明する。
【0037】
各気筒A〜Dは、所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行う。このエンジン1の場合、図9に示すようにサイクルが1番気筒A、3番気筒C、4番気筒D、2番気筒Bの順にクランク各で180°ずつの位相差が設けられている。各気筒A〜Dは、圧縮行程において燃料噴射弁14…14によりそれぞれ燃料が噴射され、その後点火プラグ13…13により点火される。
【0038】
排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が重なるときの排気行程側の気筒(以下、先行気筒という)から吸気行程側の気筒(以下、後続気筒という)へ排気導入通路46,46を介して排気を導くことができる(図9の破線矢印参照)。ここでは、1番気筒Aの排気行程と2番気筒Bの吸気行程とが重なり、また、4番気筒Dの排気行程と3番気筒Cの吸気行程とが重なるので、1番気筒A及び4番気筒Dが先行気筒、2番気筒B及び3番気筒Cが後続気筒である。なお、後続気筒は、吸気行程のときに排気行程にあるポートから排気を導入されるポートを持つ気筒であればよい。
【0039】
図10は、エンジン1の制御系統のブロック図を示している。この図において、マイクロコンピュータ等からなるエンジン1制御用のECU100には、エアフローセンサ34、O2センサ44、及びリニアO2センサ47からの信号が入力され、さらに運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ101及びアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ102等からの信号も入力される。また、このECU100から第1、第2コントロール弁111,112と、各燃料噴射弁14…14の点火回路25と、多連スロットル弁32…32のアクチュエータ33とに対して制御信号が出力されている。また、ECU100は、運転状態判別手段120、弁停止機構制御手段121、吸入空気量制御手段123、及び燃料噴射制御手段124を備えている。
【0040】
運転状態判別手段120は、上記回転数センサ101及びアクセル開度センサ102等からの信号によりエンジン回転数やエンジン負荷のエンジン1の運転状態を調べ、図11に示すように運転状態が低負荷低回転側の運転領域X、または高負荷側ないしは高回転側の運転領域Yにあるかを判別する。
【0041】
弁停止機構制御手段121は、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Xにある場合と高負荷または高回転側の運転領域Yにある場合とに応じ、上記各コントロール弁111,112を制御し、弁停止機構70…70への油圧の給排を制御する。
【0042】
具体的には、運転領域Xでは、第1コントロール弁111をOFF、即ち排気導入弁23及び排気導出弁24に対応する弁停止機構70…70には制御油圧を供給せずに排気導入弁23及び排気導出弁24を作動状態にし、かつ、第2コントロール弁112をON、即ち1、4番気筒A,Dに備えられた排気弁23及び2、3番気筒B,C備えられた吸気弁21に対応する弁停止機構70…70には油圧を供給して1、4番気筒A,Dに備えられた排気弁23及び2、3番気筒B,C備えられた吸気弁21を停止状態にする(再燃焼モード)。
【0043】
一方、運転領域Yでは、第1コントロール弁111をON、即ち排気導入弁23及び排気導出弁24に対応する弁停止機構70…70には制御油圧を供給せずに排気導入弁23及び排気導出弁24を作動状態にし、かつ、第2コントロール弁112をON、即ち1、4番気筒A,Dに備えられた排気弁23及び2、3番気筒B,Cに備えられた吸気弁21に対応する弁停止機構70…70に油圧を供給し、1、4番気筒A,Dに備えられた排気弁23及び2、3番気筒B,Cに備えられた吸気弁21を停止状態にする(通常モード)。
【0044】
吸入空気量制御手段123は、アクチュエータ33を制御することによりスロットル弁の開度を制御するものであり、運転状態に応じてマップ等から目標吸入空気量を求め、その目標吸入空気量に応じてスロットル開度を制御する。この場合、低負荷低回転側の運転領域Xでは、後続気筒B,Cに対しては吸気マニホールド31からの吸気導入が遮断されて先行気筒A,Dから導入される排気中の過剰空気が燃料に供せられるので、先行、後続の2気筒分の燃焼に必要な空気が先行気筒に供給されるようにスロットル開度が調節される。
【0045】
燃料噴射制御手段124は、各気筒A〜Dに設けられた燃料噴射弁14…14からの燃料噴射量及び噴射タイミングをエンジン1の運転状態に応じて制御するもので、特に運転領域Xの場合と運転領域Yの場合とで燃料噴射の制御が異なる。
【0046】
すなわち、図9に示すように、運転状態が運転領域X(再燃焼モード)にある場合、先行気筒A,Dに対しては、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比、好ましくは理論空燃比の略2倍もしくはそれ以上とするように燃料噴射量を制御するとともに、圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行わせるように噴射タイミングを設定する。一方、後続気筒B,Cに対しては、先行気筒A,Dから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して理論空燃比とするように燃料噴射量を制御するとともに、既燃ガスが多い状況下で着火、燃焼が可能なように噴射タイミングが設定され、圧縮行程で燃料が噴射することでより好ましい燃焼性が得られる。
【0047】
上記再燃焼モードにおける燃料噴射量の制御は、エアフローセンサ34及びO2センサ44等からの出力に基づくフィードバック制御により行われる。具体的には、先行気筒A,Dで所定のリーン空燃比、後続気筒B,Cで理論空燃比と成るように、エアフローセンサ34により検出される吸入空気量に応じてそれぞれの気筒A〜Dに対する基本噴射量が演算されると共に、排気導入通路46,46に設けられたリニアO2センサ47,47からの出力に基づいて先行気筒A,Dに対する燃流噴射量がフィードバック補正され、さらに排気管43に設けられたO2センサ44からの出力に基づいて後続気筒B,Cに対する燃料噴射量がフィードバック補正されるようになっている。
【0048】
一方、図12に示すように、運転状態が運転領域Y(通常モード)にある場合、各気筒A〜Dの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えばこの運転領域Yにうちの対部分の領域において理論空燃比とし、全開負荷及びその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、各気筒に対して、例えば吸気行程で燃料を噴射することにより均一燃焼を行わせるように噴射タイミングを設定することによってより好ましい燃焼性が得られる。
【0049】
上記のような制御を行うことによって、次のような作用が得られる。すなわち、運転領域Xでは、先行気筒A,Dにおいては吸気マニホールド31から新気が導入され、リニアO2センサ47により検出される空燃比が所定のリーン空燃比となるように燃料噴射量がフィードバック制御されつつ圧縮行程で燃料を噴射し、また、所定点火時期に点火を行いリーン空燃比での成層燃焼が行われる。
【0050】
また、先行気筒A,Dから排出される既燃ガスがそのまま排気導入通路46,46を介して後続気筒B,Cに導入されると共に、この後続気筒B,Cから排出される既燃ガスのみが三元触媒45を備えた排気管43に導かれるような2気筒接続状態となる。
【0051】
このように、先行気筒A,Dではリーン空燃比での成層燃焼が行われることにより、熱効率が高められると共に、ポンピングロスが低減され、燃費を改善できる。
【0052】
また、排気導入ポート17をヘリカルポート17としたことによって後続気筒C,Dの燃焼室12,12内にスワール流を形成することができ、排気導入通路46において直線距離が十分に確保できない場合でも後続気筒B,Cの燃焼室12,12内に吸気流動を形成することができ、後続気筒B,Cでの燃焼性が向上する。したがって、先行気筒A,Dから導入したNOxを多量に含む排気を後続気筒B,Cで理論空燃比燃焼(λ=1燃焼)もしくはリッチ燃焼を行う場合に、後続気筒B,Cにおける燃焼性を向上することで、NOxを偏って多量に含むリーン排気がそのまま大気に放出されることが確実に回避され、後続気筒B,Cからの排気を三元触媒45のみで十分に浄化することができ、リーンNOx触媒が不要となり、コストの削減が図られる。
【0053】
一方、後続気筒B,Cの吸気ポート15…15においては、燃焼室12,12内に吸気流動を形成するために十分な直線距離を確保することができるので、後続気筒B,Cの燃焼室12,12内にタンブル流もしくはスワール流を形成して吸気充填効率を確保することができる。
【0054】
さらに、ヘリカルポート17によって形成されたスワール流は、圧縮行程終期にまで残っており、さらに先行気筒A,Dでの燃焼により後続気筒B,Cに導入する排気の温度が高いため、後続気筒B,Cにおいては点火プラグ13,13による着火を行わずに圧縮による自然着火を行うこともできる(図13参照)。このとき、燃焼室12,12内で排気と燃料を十分に撹拌した状態で燃焼が行われて、例えば燃料は吸気行程で噴射することによってより好ましい燃焼性が得られる。
【0055】
また、後続気筒B,Cに導入する排気の温度を下げないために、排気マニホールド40のフランジ部41に形成される排気導入通路46,46の断面積を一定に保つようにしている。このように、圧縮自己着火が行われると、燃焼室12,12内全体が一気に燃焼するため、効率良く燃焼が仕事に寄与する。
【0056】
一方、排気マニホールド40を鋼管製の枝管40a,40b,40c,40dとし、下流側を内管50と外管51との2重管構造とすることによって、排気の温度を下げることなく下流に配設された三元触媒45に排気を導入することができ、排気の浄化性能を向上することができる。
【0057】
また、排気マニホールド40のフランジ部41に形成された大気側排気通路42…42のシリンダヘッド4側の開口60…60を偏平に形成することによって、該フランジ部41内で排気導入通路46,46との干渉を回避すると共に、特に図6に示すように楕円形状に形成することにより該大気側排気通路42…42の断面積を十分に確保することができ、その結果排気効率を向上することができる。また、大気側排気通路42…42を下流側に向かって断面積が漸増するように形成することによって、さらに排気効率を確保することができる。
【0058】
なお、本実施の形態では通常モードと再燃焼モードの切換えをタペット11に設けられた弁停止機構70を用いて行うが、例えば吸・排気マニホールド31,40、排気導入通路46、各ポート15,16,17,18等の通路に通路の導通・遮断を行うシャッターを設け、運転状態に応じてシャッターを開閉することによってモードの切換えを行うようにしてもよい。
【0059】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、排気導入ポートをヘリカルポートとしたことによって、後続気筒の燃焼室内にスワール流を形成することができ、排気導入通路において直線距離が十分に確保できない場合でも、後続気筒の燃焼室内に吸気流動を形成することができ、後続気筒での燃焼性が向上する。したがって、先行気筒から導入したリーンな排気を後続気筒で例えば理論空燃比燃焼(λ=1燃焼)もしくはリッチ燃焼を行う場合に、後続気筒における燃焼性を向上することで、NOxを偏って多量に含むリーン排気がそのまま大気に放出されることが確実に回避され、リーンNOx触媒が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係るエンジンの概略平面図である。
【図2】 1番気筒における燃焼室周辺を示す概略縦断面図である。
【図3】 2番気筒に備えられた各ポートを示すシリンダヘッドの平断面図である。
【図4】 排気マニホールドの正面図である。
【図5】 図4のア−ア線による断面図である。
【図6】 排気マニホールドのフランジ部の正面図である。
【図7】 図6のイ−イ線による断面図である。
【図8】 弁停止機構の要部断面図である。
【図9】 再燃焼モードにおけるエンジンサイクル及び点火タイミングを示す図である。
【図10】 エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図11】 運転領域を示す図である。
【図12】 通常モードにおける点火タイミングを示す図である。
【図13】 圧縮自己着火燃焼を行うときの点火タイミングを示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン
4 シリンダヘッド
15 吸気ポート
16 排気ポート(第2の排気ポート)
17 排気導入ポート(ヘリカルポート)
18 排気導出ポート(第1の排気ポート)
40 排気マニホールド
41 フランジ部
42 大気側排気通路(先行気筒側排気通路、後続気筒側排気通路)
45 三元触媒
46 排気導入通路
60 偏平開口
61 真円開口
70 弁停止機構(先行気筒用排気停止手段、排気導入停止手段、後続気筒用新気導入停止手段)
100 ECU(切替手段)
123 燃料噴射制御手段(空燃比制御手段、着火制御手段)
A,D 1、4番気筒(先行気筒)
B,C 2、3番気筒(後続気筒)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of an engine, particularly an engine configured to introduce exhaust from a preceding cylinder into a subsequent cylinder and burn it again.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a vehicle engine such as an automobile, there has been known a technique for improving fuel efficiency by burning an air-fuel ratio of an air-fuel mixture introduced into each cylinder with a lean air-fuel ratio larger than a theoretical air-fuel ratio. . In such a lean combustion engine, if a three-way catalyst (a catalyst having high purification performance near the theoretical air-fuel ratio with respect to HC, CO, and NOx) is provided as an exhaust purification catalyst, NOx is reduced during lean operation. On the other hand, since a sufficient purification performance cannot be obtained, a lean NOx catalyst that adsorbs NOx in an oxygen-excess atmosphere and desorbs and reduces NOx in an oxygen-concentrated atmosphere may be provided. When such a lean NOx catalyst is used, if the NOx adsorption amount of the lean NOx catalyst increases during the lean operation, the air-fuel ratio of the exhaust gas is enriched and CO is generated, whereby NOx is released and reduced. To promote.
[0003]
However, a lean NOx catalyst requires a relatively large capacity in order to secure a certain amount of NOx adsorption, and is more expensive than a three-way catalyst, which is disadvantageous in terms of cost. Further, in order to maintain the purification performance of the lean NOx catalyst, for example, when the lean operation continues and the NOx adsorption amount increases and becomes saturated, as described above, the additional fuel is removed for the removal and reduction of NOx. Since it is necessary to temporarily enrich the air-fuel ratio by supply or the like, the fuel efficiency improvement effect by lean combustion is reduced.
[0004]
Therefore, there is a demand for a technique that reduces the amount of NOx released to the atmosphere while performing lean operation, thereby eliminating the need for a lean NOx catalyst. For this purpose, for example, the technique disclosed in
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A 61-46421
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to re-combust the exhaust gas generated in the preceding cylinder in the subsequent cylinder, an exhaust introduction passage for introducing the exhaust from the preceding cylinder to the subsequent cylinder is required. In order to fit in the engine room, it is required to make the exhaust introduction passage compact (for example, the degree of protrusion from the engine body is small), and as a result, the exhaust introduction passage tends to be shortened as much as possible. Further, when the preceding cylinder and the succeeding cylinder are adjacent to each other, the exhaust introduction passage is short and bent, for example, in a U shape. As a result, the exhaust introduction passage cannot secure a linear distance from the preceding cylinder to the succeeding cylinder, and cannot ensure a sufficient intake flow in the combustion chamber of the succeeding cylinder. A situation occurs where the lean exhaust generated in the cylinder is discharged as it is.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to improve the combustibility of the subsequent cylinder in an engine in which the lean exhaust of the preceding cylinder is burned again in the subsequent cylinder in order to eliminate the need for the lean NOx catalyst.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is configured as follows.
[0009]
In the first aspect of the present invention, the exhaust of the preceding cylinder, which is the cylinder on the exhaust stroke side, between the pair of cylinders having an even number of cylinders and the exhaust stroke and the intake stroke overlap, is the subsequent cylinder which is the cylinder on the intake stroke side. An engine that is introduced into a cylinder and burned again, wherein the exhaust introduction port is provided in a subsequent cylinder, and the exhaust introduction port is a helical portAt the same time, the intake port that introduces fresh air from the succeeding cylinder is a substantially straight straight port that can generate a tumble flow or a swirl flow, and the exhaust stop for the preceding cylinder that stops exhaust from the preceding cylinder to the atmosphere is stopped. Means, an exhaust introduction stop means for stopping the introduction of exhaust gas from the preceding cylinder to the succeeding cylinder, and a fresh air introduction stopping means for the succeeding cylinder for stopping introduction of fresh air to the succeeding cylinder. Switching means for switching between a normal mode in which only the exhaust introduction stop means is in operation and a recombustion mode in which the exhaust stop means for the preceding cylinder and the fresh air introduction stop means for the subsequent cylinder are in operation, depending on the operating state In the re-combustion mode, the amount of fresh air introduced into the preceding cylinder and the preceding cylinder is burned so that the preceding cylinder burns at a lean air-fuel ratio greater than the stoichiometric air-fuel ratio. Charge supply amount by controlling at least one, in the following cylinders is provided with an air-fuel ratio control means for controlling at least one of the exhaust gas introduction amount and the fuel supply amount to the following cylinder to combust at the stoichiometric air-fuel ratioIt is characterized by that.
[0010]
According to the present invention, since the exhaust introduction port is a helical port, a swirl flow can be formed in the combustion chamber of the subsequent cylinder, and even when a sufficient linear distance cannot be secured in the exhaust introduction passage, Thus, the intake air flow can be formed, and the combustibility in the succeeding cylinder is improved. Therefore, when lean exhaust introduced from the preceding cylinder is subjected to, for example, stoichiometric air-fuel ratio combustion (λ = 1 combustion) or rich combustion in the subsequent cylinder, NOx is biased and increased in a large amount by improving the combustibility in the subsequent cylinder. It is reliably avoided that the lean exhaust gas contained is released into the atmosphere as it is, and the lean NOx catalyst becomes unnecessary.
[0012]
Also,In the straight port, a sufficient linear distance can be secured for forming the intake air flow in the combustion chamber, so that a tumble flow or a swirl flow can be formed in the combustion chamber and the intake charging efficiency can be ensured. .
[0013]
Further, according to the present invention, in the normal mode, fresh air is introduced into the subsequent cylinder for combustion, and in the recombustion mode, exhaust from the preceding cylinder is introduced into the subsequent cylinder for combustion. Then, by controlling each of the stop means, it is possible to easily switch to the normal mode in the operation region on the high load and high rotation side, and the recombustion mode in the low load and low rotation region.
[0014]
In the re-combustion mode, the preceding cylinder performs combustion at a lean air-fuel ratio by controlling at least one of the amount of fresh air introduced into the preceding cylinder and the amount of fuel supplied to increase the thermal efficiency and reduce the pumping loss. The fuel consumption is improved by the reduction, and in the succeeding cylinder, combustion is performed in a state where the theoretical air-fuel ratio is controlled by controlling at least one of the exhaust introduction amount and the fuel supply amount to the succeeding cylinder, and the succeeding cylinder Since only the exhaust of the stoichiometric air-fuel ratio discharged from the cylinder is discharged, the exhaust purification performance of HC, CO, and NOx can be obtained sufficiently efficiently with only the three-way catalyst.
[0017]
next,Claim 2The invention described inClaim 1In the invention described inExhaust air is exhausted to the atmosphere from the exhaust introduction passage that communicates the first exhaust port of the preceding cylinder and the exhaust introduction port of the succeeding cylinder to the mounting flange to the cylinder head of the exhaust manifold, and the second exhaust port of the preceding cylinder. A preceding cylinder side exhaust passage and a subsequent cylinder side exhaust passage for exhausting the exhaust from the exhaust port of the subsequent cylinder to the atmosphere. The exhaust introduction passage has a substantially constant cross-sectional area, and The cross section of the cylinder side and subsequent cylinder side exhaust passages has a flat opening on the mounting surface side of the cylinder head, and changes to a perfect circle while gradually increasing the cross sectional area toward the downstream side.It is characterized by being.
[0018]
According to the present invention, since the exhaust introduction passage is formed inside the flange portion of the existing exhaust manifold, it is not necessary to project the passage from the engine body and newly provide it outside, and the compactness is maintained.
[0019]
In addition, by making the cross-sectional area of the exhaust introduction passage substantially constant, a temperature drop due to expansion of the exhaust discharged from the preceding cylinder is avoided, and the ignitability in the succeeding cylinder is maintained. The combustibility of the subsequent cylinder is improved.
[0020]
On the other hand, because the leading cylinder side and the trailing cylinder side exhaust passages interfere with the exhaust introduction passage formed in the flange, the space for forming the exhaust passage in the flange is limited. Therefore, according to the present invention, the opening on the mounting surface side of the leading cylinder side and the trailing cylinder side exhaust passage to the cylinder head is formed flat, thereby avoiding interference with the exhaust introduction passage and disconnecting toward the downstream side. Exhaust efficiency can be improved by forming a perfect circle so that the area gradually increases.
[0021]
next,Claim 3The invention described
[0022]
According to the present invention, in the compression self-ignition performed in the succeeding cylinder, since the entire combustion chamber burns at a stretch, the combustion efficiently contributes to work. Further, since the swirl flow formed by the helical port flows until the end of the compression stroke, it is advantageous in improving combustibility when performing spontaneous ignition combustion by compression.
[0023]
next,Claim 4The invention according to
[0024]
According to the present invention, the exhaust manifold can be introduced into the three-way catalyst disposed downstream without lowering the temperature by improving the exhaust purification performance by adopting a double pipe structure for the exhaust manifold.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the configuration of the
[0026]
As shown in FIG. 2, a
[0027]
The
[0028]
In each cylinder A to D, a pair of
[0029]
Further, the
[0030]
Next, the structure of the
[0031]
The structure of the
[0032]
FIG. 6 shows a mounting surface of the
[0033]
Next, the
[0034]
When hydraulic pressure is applied, the
[0035]
As described above, the
[0036]
Then, the effect of the
[0037]
Each of the cylinders A to D performs a cycle including intake, compression, expansion, and exhaust strokes with a predetermined phase difference. In the case of this
[0038]
Between a pair of cylinders where the exhaust stroke and the intake stroke overlap, from the cylinder on the exhaust stroke side (hereinafter referred to as the preceding cylinder) when the exhaust stroke and the intake stroke overlap, to the cylinder on the intake stroke side (hereinafter referred to as the subsequent cylinder) Exhaust gas can be guided through the exhaust
[0039]
FIG. 10 shows a block diagram of the control system of the
[0040]
The operating state discriminating means 120 checks the operating state of the
[0041]
The valve stop mechanism control means 121 controls the
[0042]
Specifically, in the operation region X, the first control valve 111 is turned OFF, that is, the exhaust
[0043]
On the other hand, in the operation region Y, the first control valve 111 is turned on, that is, the control oil pressure is not supplied to the
[0044]
The intake air amount control means 123 controls the opening degree of the throttle valve by controlling the
[0045]
The fuel injection control means 124 controls the fuel injection amount and the injection timing from the
[0046]
That is, as shown in FIG. 9, when the operating state is in the operating region X (reburning mode), for the preceding cylinders A and D, the lean air-fuel ratio, preferably the theoretical air-fuel ratio, which is larger than the stoichiometric air-fuel ratio. The fuel injection amount is controlled so as to be approximately twice or more than the air-fuel ratio, and the injection timing is set so that fuel is injected in the compression stroke to cause stratified combustion. On the other hand, for the succeeding cylinders B and C, the fuel injection amount is controlled so that fuel is supplied to the lean air-fuel ratio burned gas introduced from the preceding cylinders A and D so as to obtain the stoichiometric air-fuel ratio. An injection timing is set so that ignition and combustion can be performed under a situation where there is a large amount of fuel gas, and more preferable combustibility can be obtained by injecting fuel in the compression stroke.
[0047]
The control of the fuel injection amount in the re-combustion mode is performed by the
[0048]
On the other hand, as shown in FIG. 12, when the operation state is in the operation region Y (normal mode), the fuel injection amount is controlled so that the air-fuel ratio of each cylinder A to D is the stoichiometric air-fuel ratio or less. The stoichiometric air-fuel ratio is set in the paired region of the operation region Y, and is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio in the fully open load and the operation region in the vicinity thereof. And more preferable combustibility can be obtained by setting the injection timing so that uniform combustion is performed by injecting fuel in each cylinder, for example, in the intake stroke.
[0049]
By performing the control as described above, the following effects can be obtained. That is, in the operation region X, fresh air is introduced from the
[0050]
Further, the burned gas discharged from the preceding cylinders A and D is directly introduced into the succeeding cylinders B and C through the
[0051]
Thus, in the preceding cylinders A and D, the stratified combustion is performed at the lean air-fuel ratio, so that the thermal efficiency is increased, the pumping loss is reduced, and the fuel consumption can be improved.
[0052]
Further, since the
[0053]
On the other hand, in the
[0054]
Further, the swirl flow formed by the
[0055]
Further, in order not to lower the temperature of the exhaust gas introduced into the succeeding cylinders B and C, the cross-sectional areas of the
[0056]
On the other hand, the
[0057]
Further, by forming the
[0058]
In the present embodiment, switching between the normal mode and the recombustion mode is performed using a
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the exhaust introduction port is a helical port, a swirl flow can be formed in the combustion chamber of the subsequent cylinder, and even when the linear distance cannot be sufficiently secured in the exhaust introduction passage, An intake flow can be formed in the combustion chamber of the subsequent cylinder, and the combustibility in the subsequent cylinder is improved. Therefore, when lean exhaust introduced from the preceding cylinder is subjected to, for example, stoichiometric air-fuel ratio combustion (λ = 1 combustion) or rich combustion in the subsequent cylinder, NOx is biased and increased in a large amount by improving the combustibility in the subsequent cylinder. It is reliably avoided that the lean exhaust gas contained is released into the atmosphere as it is, and the lean NOx catalyst becomes unnecessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of an engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing the periphery of a combustion chamber in a first cylinder.
FIG. 3 is a plan sectional view of a cylinder head showing each port provided in the second cylinder.
FIG. 4 is a front view of an exhaust manifold.
5 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 6 is a front view of a flange portion of an exhaust manifold.
7 is a cross-sectional view taken along the line II in FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of the valve stop mechanism.
FIG. 9 is a diagram showing an engine cycle and ignition timing in a reburning mode.
FIG. 10 is a block diagram showing an engine control system.
FIG. 11 is a diagram showing an operation region.
FIG. 12 is a diagram showing ignition timing in a normal mode.
FIG. 13 is a diagram showing ignition timing when performing compression self-ignition combustion.
[Explanation of symbols]
1 engine
4 Cylinder head
15 Intake port
16 Exhaust port (second exhaust port)
17 Exhaust introduction port (helical port)
18 Exhaust outlet port (first exhaust port)
40 Exhaust manifold
41 Flange
42 Atmospheric exhaust passage (preceding cylinder exhaust passage, subsequent cylinder exhaust passage)
45 Three-way catalyst
46 Exhaust introduction passage
60 Flat opening
61 Perfect circle opening
70 Valve stop mechanism (exhaust stop means for preceding cylinders, exhaust introduction stop means, fresh air introduction stop means for subsequent cylinders)
100 ECU (switching means)
123 Fuel injection control means (air-fuel ratio control means, ignition control means)
A,
B, C 2, 3rd cylinder (following cylinder)
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