JP4925988B2

JP4925988B2 - 内燃機関用負荷制御機構

Info

Publication number: JP4925988B2
Application number: JP2007255474A
Authority: JP
Inventors: 羊一石橋; 秀明森川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: US8186335B2; JP2009085086A; US20090084365A1; CN101397930A

Description

本発明は、排気通路に排気された排ガスの一部を燃焼室に戻す構成の内燃機関に付設される内燃機関用負荷制御機構に関する。

従来から、排気ガスの一部を燃焼室に戻す排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置を具備する内燃機関が知られている。この種の内燃機関には、ＥＧＲ装置を具備しない内燃機関に比して、排気ガス中に含まれるＮＯｘの量が少ないという利点がある。

内燃機関には、燃料消費率（以下、燃費ともいう）が高いことも希求される。そこで、特許文献１においては、排気バルブが開いている間に排気ガス（既燃焼ガス）を燃焼室に導入することが提案されている。

特開２００６−２３３９６３号公報

内燃機関には、スロットルバルブの開度に対応して燃焼室に導入される空気量が調整される。例えば、空気量を少なくする場合、スロットルバルブの開度は小さくなる。

この場合、スロットルバルブの開度が小さいことに起因して空気が通過する流路も小さくなり、その結果、吸気抵抗が上昇していわゆるポンピングロスが発生する（図５参照）。

このポンピングロスが発生することを回避する手法として、直噴成層給気機関を採用することも想起される。この場合、図６に示すように、吸入工程の際に燃焼室内が略大気圧に保たれるので、ポンピングロスが増加することを回避することができる。

しかしながら、直噴成層給気機関では、特殊な混合気を形成する必要がある上、燃焼室に混合気を直接噴射するために複雑な構成が必要となり、また、燃焼室を専用の形状とする必要もある。さらに、混合気の噴霧に際して厳密な制御を行う必要がある。また、排気ガスが余剰酸素を比較的多く含むものであるため、ＮＯｘの後処理への考慮が必要である。

ポンピングロスを低減するその他の手法として、稀薄燃焼を行う、吸気弁閉じ時期可変機関を採用する等も想起される。しかしながら、稀薄燃焼ではポンピングロスの低減に限界があり、吸気弁閉じ時期可変機関は、応答性及び機械効率が良好な自在可変バルブ機構が必要となる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、簡素な構成でありながらポンピングロスが発生することを回避することが可能であり、このために低コストで燃費を向上させ得る内燃機関用負荷制御機構を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、吸気ポート（３６）を介して燃焼室（２６）に空気を導入する吸気通路（３０）と、前記吸気通路（３０）に設置されて開度に応じて前記空気の導入量を調整するスロットルバルブ（３４）と、前記燃焼室（２６）と前記吸気ポート（３６）とを連通・遮断する吸気バルブ（４６）と、前記燃焼室（２６）から排気ポート（３８）を介して排気された排気ガスを案内する排気通路（３２）と、前記燃焼室（２６）と前記排気ポート（３８）とを連通・遮断する排気バルブ（４８）とを具備する内燃機関（１２）に付設される内燃機関用負荷制御機構（１０）であって、
前記内燃機関（１２）に、前記排気ガスを前記排気ポート（３８）から前記燃焼室（２６）に戻す通路（４４）が形成され、
前記通路（４４）に配設されるとともに、該通路（４４）を経由して前記燃焼室（２６）に戻る前記排気ガスの量を、前記燃焼室（２６）内の圧力が略大気圧となる量に調整する排気ガス戻り量調整手段を具備することを特徴とする。

すなわち、本発明においては、吸気工程が営まれる際、スロットルバルブを通過した空気（新気）の量に応じて、排気ポートから燃焼室に戻す排気（既燃）ガスの量を調整し、これにより燃焼室内の圧力を略大気圧に保つようにしている。具体的には、スロットルバルブの開度が大きく新気の量が多いときには排気ガスの戻り量を少なくし、一方、スロットルバルブの開度が小さく新気の量が少ないときには排気ガスの戻り量を多くして、燃焼室内に存在するガスの質量を略一定に保つようにする。このようにして燃焼率内の圧力が略一定に保たれる結果、ポンピングロスが発生することが回避され、これに伴って内燃機関の燃料消費率も向上する。

しかも、この場合、従来から周知のＥＧＲ装置に比して構成が大幅に簡素となり、必然的に、コストも低廉化する。

さらに、高温である既燃ガスを燃焼室に戻すので、圧縮工程を営む際の燃焼室の温度が高くなる。これにより混合気の燃焼が促進され、その結果、イグニッションディレイが低減されるとともに、等溶度が向上するという利点が得られる。また、低温燃焼による熱損失が低減するとともに、ＮＯｘ排出量が低減する。

その上、既燃ガスに余剰酸素が存在しないので、成層給気機関や稀薄燃焼に比してＮＯｘの後処理が容易となる。

なお、排気ガス戻り量調整手段は、例えば、排気ポートから排気された排気ガスの圧力と燃焼室内の圧力との差が所定値以上となったときに、前記通路を経由して排気ガスを燃焼室に戻すように動作する。すなわち、前記圧力差が所定値以上とならなければ、排気ガスは燃焼室に戻されない。従って、ポンピングロスが発生することを回避することが容易となる。

ここで、排気ガス戻り量調整手段は、例えば、一方弁（６０）によって構成することができる。この場合、内燃機関用負荷制御機構の構成が一層簡素となる。

一方弁（６０）は、バネ部材（７０）を具備するものとして構成することができる。この場合、該バネ部材（７０）のバネ定数は、排気ポートから排気された排気ガスの圧力と燃焼室内の圧力との差が所定値以上となったときに作動可能なように予め設定すればよい。これにより、排気工程中に一方弁が開いて排気ガスが燃焼室に戻ることを容易に回避することができる。

又は、排気ガス戻り量調整手段を、前記通路の開閉を行うバルブと、前記燃焼室の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、大気圧と前記燃焼室の圧力との差圧に基づいて前記バルブの開放又は閉止を判断する制御部とで構成するようにしてもよい。この場合、燃焼室への排気ガスの戻り量を精度よく制御することができるという利点がある。

なお、バルブとしては電磁的なもの、例えば、リニアソレノイドを例示することができる。

本発明によれば、内燃機関の排気ポートから燃焼室に排気ガスを戻すための通路を形成し、且つこの通路に排気ガス戻り量調整手段を設置することによって、吸気工程時における排気ガスの戻り量を、スロットルバルブを通過して燃焼室に導入される空気の量に応じて調整するようにしている。これにより燃焼室内が略大気圧に保たれ、その結果、ポンピングロスが発生することを回避することが容易となるとともに、内燃機関の燃料消費率を向上させることができる。

しかも、本発明によれば、内燃機関用負荷制御機構を極めて簡素に構成することが可能であるので、例えば、成層給気機関等を採用する場合に比して、コストを大幅に低廉化することもできる。

以下、本発明に係る内燃機関用負荷制御機構につき、それが付設された内燃機関との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る内燃機関用負荷制御機構（以下、負荷制御機構ともいう）１０が付設された内燃機関１２の要部概略縦断面図である。この内燃機関１２は、例えば、自動車二輪車等の車両に搭載され、空気と燃料の混合気を燃焼させることによって該車両を走行させる。

先ず、内燃機関１２につき説明する。この内燃機関１２は、シリンダ１４が設けられたブロック本体１６と、該ブロック本体１６の上方に連結されたシリンダヘッド１８と、該シリンダヘッド１８の上部を覆って保護するヘッドカバー２０とを有する。

シリンダ１４にはピストン２２が挿入されており、このピストン２２は、コンロッド２４を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。このピストン２２の上端面と、シリンダヘッド１８によって覆われる空間とによって、燃焼室２６が形成される。なお、図１中の参照符号２８は、ウォータージャケット部を示す。

シリンダヘッド１８には、吸気マニホールド３０と排気マニホールド３２とが連結されている。これら吸気マニホールド３０及び排気マニホールド３２の各々は中空体であり、その内部には、吸入された空気と、燃焼室２６で燃焼した後の排気ガスが流通する。すなわち、吸気マニホールド３０及び排気マニホールド３２は、それぞれ、吸気通路、排気通路として機能する。

吸気マニホールド３０内には、図２に示すスロットルバルブ３４が設置されている。該スロットルバルブ３４は、運転者のアクセル操作に応じて回転動作し、アクセル操作量に対応して、図２中の実線で示す位置（アイドル位置）から二点鎖線で示す位置（全負荷位置）の間に位置する。

シリンダヘッド１８（図１参照）の内部には、吸気マニホールド３０に連通する吸気ポート３６と、排気マニホールド３２に連通する排気ポート３８とが形成されている。排気ポート３８の近傍には、負荷制御機構１０を構成する弁本体４０（後述）が着座・離間する小ポート４２が設けられており、この小ポート４２は、連通路４４を介して排気ポート３８に連通する。すなわち、内燃機関１２の内部には、連通路４４によって排気ポート３８と燃焼室２６との間に支流が形成された形態となっている。

吸気ポート３６には吸気バルブ４６が配設される一方、排気ポート３８には排気バルブ４８が配設される。これら吸気バルブ４６と排気バルブ４８は、ロッカーアーム５０を介してカムシャフト５２の作用下に変位する。すなわち、開閉動作する。

カムシャフト５２の一端部はヘッドカバー２０から露呈しており、さらに、プーリ５４が連結されている。該プーリ５４に巻回されたベルト５６が駆動されることに伴ってカムシャフト５２が回転動作することに追従し、図１及び図３に示すように、吸気バルブ４６及び排気バルブ４８が上下動する。図１及び図３から諒解されるように、この上下動によって、吸気ポート３６と燃焼室２６が遮断されるとともに燃焼室２６と排気ポート３８とが連通する（図１参照）か、又は、吸気ポート３６と燃焼室２６が連通するとともに燃焼室２６と排気ポート３８とが遮断される（図３参照）。

本実施の形態において、負荷制御機構１０は、排気ガス戻り量調整手段としての一方弁６０を具備する。この場合、一方弁６０は、排気バルブ４８の近傍に配設されている。

上記したように、弁本体４０の幅広な先端部（傘部）は、小ポート４２に着座又は離間する。これにより、該小ポート４２が開閉される。

この一方弁６０を構成する弁本体４０の軸部の一端部は、シリンダヘッド１８の外方に露呈しており、さらに、ストッパ部材６２が係合されている。このストッパ部材６２は、弁本体４０とシリンダヘッド１８との間に介装される筒部６４と、断面略Ｌ字状の堰止部６６とを有する。

弁本体４０には、さらに、ディスク部材６８が嵌合されている。そして、このディスク部材６８と堰止部６６の底部との間には、バネ部材７０が介装されている。この場合、バネ部材７０のバネ係数は、排気ポート３８に存在する排気ガスの圧力によって弁本体４０が燃焼室２６側に変位することのない大きさに設定されている。

本実施の形態に係る負荷制御機構１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

排気工程が営まれる際、図１に示すように、排気バルブ４８が燃焼室２６側に変位して排気ポート３８と燃焼室２６とが連通する。これに伴い、排気ガスは、排気ポート３８を介して排気マニホールド３２側へ流れる。この際、排気ガスの一部は、連通路４４に回り込む。

この際、小ポート４２は、燃焼室２６と連通することなく遮断されたままである。上記したように、一方弁６０を構成するバネ部材７０のバネ係数が、排気ポート３８に排気された排気ガスの圧力によって弁本体４０が燃焼室２６側に変位することのない大きさに設定されているからである。

この状態から吸気工程に移行するに際しては、図３に示すように、シリンダ１４内でピストン２２が下方に変位する。これに伴い、シリンダ１４内が負圧となる。その一方で、前記ベルト５６及びプーリ５４の作用下にカムシャフト５２が回転動作することに追従して、排気バルブ４８が上昇するとともに吸気バルブ４６が燃焼室２６側に変位する。その結果、排気ポート３８が遮断される一方、吸気ポート３６、ひいては吸気マニホールド３０と燃焼室２６とが連通して、該吸気マニホールド３０の内部に配設されたスロットルバルブ３４（図２参照）を通過した新たな空気（新気）が吸気マニホールド３０から燃焼室２６に導入される。

吸気マニホールド３０から燃焼室２６に導入される新気の量は、スロットルバルブ３４の開度に応じて相違する。すなわち、図２中の実線で示した場合（アイドル位置）では最小量であり、二点鎖線（全負荷位置）では最大量である。従って、当然に、燃焼室２６内の圧力も、スロットルバルブ３４の開度に応じて相違する。例えば、スロットルバルブ３４の開度が最大であると、燃焼室２６内の負圧が解消され、燃焼室２６内の圧力は略大気圧となる。このとき、一方弁６０が開くことはなく、従って、小ポート４２と燃焼室２６が連通する。

一方、スロットルバルブ３４が最大開度でない場合、燃焼室２６内の圧力は負圧のままである。このため、図３に示すように、一方弁６０の弁本体４０が燃焼室２６側に引っ張られ、その結果、小ポート４２、ひいては排気ポート３８と燃焼室２６とが連通路４４を介して連通する。これにより、連通路４４に回り込んだ排気ガス（既燃ガス）が燃焼室２６に導入される。

このようにして一方弁６０が開く際には、バネ部材７０が収縮する。最終的に、ディスク部材６８がストッパ部材６２の堰止部６６の先端に当接するとバネ部材７０のそれ以上の収縮が阻止され、その結果、一方弁６０の燃焼室２６側への変位が停止される。すなわち、一方弁６０が最大開度となる。

一方弁６０の開度は、燃焼室２６内の圧力、換言すれば、負圧の程度に応じて相違する。すなわち、新気の量が多く負圧の程度が小さいときには、弁本体４０を引っ張る力が比較的小さいので開度が小さくなる。一方、新気の量が少ないために負圧の程度が大きいときには、弁本体４０を引っ張る力が大きくなり、開度も大きくなる。最終的に、燃焼室２６内の負圧が解消されて所定の圧力、例えば、略大気圧となったときには、前記バネ部材７０の弾性作用下に弁本体４０が小ポート４２側に後退し、一方弁６０が閉じられる。勿論、バネ部材７０は伸張して元の状態に復帰する。

すなわち、一方弁６０の開度は、燃焼室２６に導入された新気の量によって自発的に調整され、その結果、図４に示すように、燃焼室２６内が略大気圧に維持される。このようにして燃焼室２６内を略大気圧に保つことにより、ポンピングロスが発生することを回避することができる。その結果、内燃機関１２の燃料消費率も向上する。

また、上記から諒解されるように、本実施の形態によれば、一方弁６０（排気ガス戻り量調整手段）の開度を調整するための何らかの制御手段を特に必要としない。このため、簡便な構成のみで燃焼室２６内を略大気圧に保つこと、換言すれば、ポンピングロスが発生することを回避して燃料消費率を向上させることが可能となる。その上、通常のＥＧＲ装置に比して構成が大幅に簡素となる。そして、構成が簡便となることに伴ってコストも低廉化する。

さらに、高温である既燃ガスを燃焼室２６に戻すので、圧縮工程を営む際の燃焼室２６の温度が高くなる。その結果、混合気の燃焼が促進され、いわゆるイグニッションディレイが低減されるとともに、等溶度が向上する。

さらにまた、既燃ガスを燃焼室２６に戻すので、低温燃焼による熱損失が低減するとともに、ＮＯｘ排出量が低減するという利点がある。しかも、既燃ガスに余剰酸素が存在しないので、成層供気機関や稀薄燃焼に比してＮＯｘの後処理も容易である。

ピストン２２が再度上昇するときには、新気（及び排気ガス）が圧縮され、その結果、燃焼室２６内の圧力が上昇する。また、前記ベルト５６及びプーリ５４の作用下にカムシャフト５２が回転動作することにより、吸気バルブ４６が上昇するとともに排気バルブ４８が燃焼室２６側に変位して、図１に示す状態に戻る。勿論、この間に燃焼室２６が負圧になることはないので、一方弁６０が燃焼室２６側に変位して小ポート４２が開くことはない。すなわち、排気ガスが一方弁６０を経由して燃焼室２６側に戻ることはない。

以上のように、排気ポート３８と燃焼室２６との間に支流を設け、この支流に一方弁６０等の負荷制御機構１０を設けることにより、ポンピングロスが発生することを回避することができる。これにより、燃費も向上する。

なお、上記した実施の形態においては、一方弁６０の開度を制御する開度制御手段を設けない場合を例示して説明したが、このような開度制御手段を設置して一方弁６０（排気ガス戻り量調整手段）とともに負荷制御機構を構成するようにしてもよいことは勿論である。また、弁本体４０が変位を開始する圧力を変更する開弁圧可変機構を設置して負荷制御機構を構成するようにしてもよい。

また、バネ部材７０のバネ定数は、その共振周波数が内燃機関１２の固有振動数の領域から外れるように設定するようにしてもよい。例えば、内燃機関１２の一次振動周波数及び二次振動周波数でも振動しないような設定であってもよい。さらに、バネ定数が互いに相違するバネ部材を少なくとも２個以上並列接続し、これにより共振が発生することを回避するようにしてもよい。

さらにまた、排気ガス戻り量調整手段は、排気ポート３８から排気された排気ガスと燃焼室２６との圧力差に基づいて作動する弁体、例えば、リードバルブのような弾性体であってもよい。

又は、電磁的に開閉するリニアソレノイド等の電磁バルブと、燃焼室２６の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、大気圧と燃焼室２６の圧力との差圧に基づいて前記電磁バルブの開放又は閉止を判断する制御部とで排気ガス戻り量調整手段を構成するようにしてもよい。勿論、この場合、前記制御部が「排気ガスを燃焼室２６に戻す」と判断したときにのみ前記電磁バルブを開放させ、連通路４４と燃焼室２６とを連通させる。

又は、一方弁６０に代替して、可変バルブ機構を排気ガス戻り量調整手段とするようにしてもよい。

本実施の形態に係る負荷制御機構が付設された内燃機関の要部概略縦断面図である。図１の内燃機関を構成するスロットルバルブの概略構成を説明する要部概略縦断面図である。図１の内燃機関において、吸気バルブ及び一方弁が開いた状態を示す要部概略縦断面図である。図１の内燃機関において、新気と排気（既燃）ガスの導入量の関係と、燃焼室内の圧力の関係を示すグラフである。一般的な内燃機関において、新気と既燃ガスの導入量の関係と、燃焼室内の圧力の関係を示すグラフである。直噴成層給気機関において、新気と既燃ガスの導入量の関係と、燃焼室内の圧力の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…内燃機関用負荷制御機構１２…内燃機関
１４…シリンダ１６…ブロック本体
１８…シリンダヘッド２２…ピストン
２６…燃焼室３０…吸気マニホールド
３２…排気マニホールド３４…スロットルバルブ
３６…吸気ポート３８…排気ポート
４０…弁本体４２…小ポート
４４…連通路４６…吸気バルブ
４８…排気バルブ６０…一方弁
６２…ストッパ部材６４…筒部
６６…堰止部６８…ディスク部材
７０…バネ部材

Claims

吸気ポート（３６）を介して燃焼室（２６）に空気を導入する吸気通路（３０）と、前記吸気通路（３０）に設置されて開度に応じて前記空気の導入量を調整するスロットルバルブ（３４）と、前記燃焼室（２６）と前記吸気ポート（３６）とを連通・遮断する吸気バルブ（４６）と、前記燃焼室（２６）から排気ポート（３８）を介して排気された排気ガスを案内する排気通路（３２）と、前記燃焼室（２６）と前記排気ポート（３８）とを連通・遮断する排気バルブ（４８）とを具備する内燃機関（１２）に付設される内燃機関用負荷制御機構（１０）であって、
前記内燃機関（１２）に、前記排気ガスを前記排気ポート（３８）から前記燃焼室（２６）に戻す通路（４４）が形成され、
前記通路（４４）に配設されるとともに、該通路（４４）を経由して前記燃焼室（２６）に戻る前記排気ガスの量を、前記燃焼室（２６）内の圧力が略大気圧となる量に調整する排気ガス戻り量調整手段を具備し、
前記排気ガス戻り量調整手段が、前記燃焼室（２６）内の圧力が負圧となったときにのみ開く一方弁（６０）から構成されていることを特徴とする内燃機関用負荷制御機構（１０）。
請求項１記載の負荷制御機構（１０）において、前記排気ガス戻り量調整手段は、前記排気ポート（３８）から排気された排気ガスの圧力と前記燃焼室（２６）内の圧力との差が所定値以上となったときに、前記通路（４４）を経由して前記排気ガスを前記燃焼室（２６）に戻すことを特徴とする内燃機関用負荷制御機構（１０）。
請求項１又は２記載の負荷制御機構（１０）において、前記一方弁（６０）がバネ部材（７０）を有し、前記バネ部材（７０）のバネ定数は、前記排気ポート（３８）から排気された排気ガスの圧力と前記燃焼室（２６）内の圧力との差が所定値以上となったときに作動可能なように予め設定されていることを特徴とする内燃機関用負荷制御機構（１０）。