JP5044753B2 - 予混合圧縮着火エンジン - Google Patents

Description

本発明は、気筒（シリンダ）内に吸気ポートを介して新気を導入するとともに、排気ポートを介して排気を再吸入するように構成され予混合圧縮着火エンジンに関する。

なお、本願明細書では、吸気ポートを通してシリンダ内に導入される空気を新気と称し、排気ポートを通してシリンダ内に再吸入される排気をＥＧＲガスと称する。

ガソリンエンジンの有する低エミッション特性を維持しつつディーゼルエンジン並の低燃費を実現する手段として予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）エンジンが有望視されている。なお、ＨＣＣＩエンジンとは、通常のディーゼルエンジンが圧縮上死点付近で燃料を燃焼室内に噴射供給して自己着火させるのに対し、燃焼室内に燃料を早期に噴射し、あるいは吸気ポート内で燃料と空気を混合して燃焼室に導入し、圧縮による温度上昇によって化学反応を進行させ、圧縮上死点付近で予混合気を自己着火させるエンジンである。

前記ＨＣＣＩエンジンの運転領域を拡大できるようにした従来技術として、例えば特許文献１に記載のものがある。この従来技術は、排気行程から吸気行程に亘る所定領域において排気弁を開弁し、排気ポート内の排気の一部を燃焼室内に逆流させるとともに、この逆流する排気を燃焼室の外周方向に沿って流入するように指向させる逆流排気指向手段を設け、もって逆流排気と混合気との分布を成層状態に制御するというものである。
特開平１１−２６４３１９

しかし前記従来技術では、排気行程から吸気行程に亘る所定領域において排気弁を開弁し、排気ポート内の排気の一部を燃焼室内に逆流させるようにしているので、逆流排気とともに新気が燃焼室内に導入されることとなり、逆流排気指向手段を設けても逆流排気と新気とが撹拌されて混合してしまうおそれがあり、逆流排気と新気との成層化を確実なものにするのは困難である。

そこで本出願人は、吸気行程から圧縮行程の下死点付近で排気ポートから温度の高い排気を気筒内に再吸入するよう構成するとともに、排気弁開口部分に再吸入した排気が吸気ポートから流入した新気と混合するのを抑制するマスク部材を設け、もって気筒内の排気弁側部分に温度の高い第１温度層を形成し、これより温度の低い第２温度層を吸気弁側部分に形成するようにしたものを提案している（ＰＣＴ／ＪＰ２００８／５９１６６）。
ところが、前記提案にかかるものでは、気筒内面に沿って気筒軸方向に流下したＥＧＲガスが、ピストン頂面で反転した後、吸気弁側に流れる傾向があり、その結果、前記第１温度層と第２温度層とが確実に形成されるとは必ずしも言えないことが判明した。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で温度分布の成層化をより確実に実現でき、高負荷時のノッキングを防止できる予混合圧縮着火エンジンを提供することを課題としている。

請求項１の発明は、第１気筒と、該第１気筒と燃焼タイミングが異なる第２気筒とを有し、吸気弁で開閉される吸気ポートを介して気筒内に新気を導入するとともに、排気弁で開閉される排気ポートを介して気筒内に排気を再吸入するように構成された予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンにおいて、前記第２気筒の排気弁を吸気行程から圧縮行程の下死点付近で再度開とする排気弁再開機構と、前記第１気筒の排気弁開時の燃焼室内からの圧力波（ブローダウン圧力波）を前記第２気筒の排気ポートに、かつ該第２気筒の排気弁の再開期間に作用させることにより排気を第２気筒内に加圧供給するブローダウン圧力波過給機構と、前記第２気筒の中心側に、前記排気弁との間に隙間を開けて設けられ、該第２気筒内に加圧供給された排気（ＥＧＲガス）の一部を前記第２気筒の中心側にて気筒軸方向に方向付けして流下させるガイド壁とを備え、前記第２気筒内の排気弁側に、新気に多量の前記ＥＧＲガスを含む温度の高い第１温度層を形成するとともに、前記第２気筒の吸気弁側に、新気に前記第１温度層より少量の前記ＥＧＲガスを含み、該第１温度層より温度の低い第２温度層を形成することを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、前記ガイド壁は、円形をなす前記排気弁開口の気筒中心側の周縁に沿う円弧状をなしており、前記ガイド壁の排気弁との隙間は、前記排気弁の再開時の流路幅より大きく設定され、前記ガイド壁の燃焼室天井壁面からの高さは前記ガイド壁と排気弁との前記隙間と略等しく設定されていることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、ピストンの頂面に、排気弁側と吸気弁側とを仕切るように設けられた凸条部を備えたことを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、前記凸条部は、吸気弁側を底とする湾曲形状を有することを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れかに記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、前記排気弁再開機構は、吸気弁が実質的に閉じた後において排気弁を実質的に開くことを特徴としている。

請求項６の発明は、請求項５に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、前記排気弁の開閉タイミングを運転状況に応じて変化させるバルブタイミング可変機構を備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、吸気行程から圧縮行程の下死点付近において排気ポートから温度の高い排気を気筒内に再吸入するように構成したので、排気を再吸入した後においては新気はほとんど流入しないこととなり、ＥＧＲガスと新気が混合するのを抑制してＥＧＲガスを偏在させることができ、温度差のある第１温度層と第２温度層を形成できる。

そして排気弁開口の気筒中心側にガイド壁を、排気弁との間に隙間を開けて設け、前記加圧供給されたＥＧＲガスの一部を気筒中心側にて気筒軸心方向に方向付けして流下させるようにしたので、この気筒中心側の流れによりＥＧＲガスの排気側壁面に沿って流下するＥＧＲ流が吸気弁側に流れるのを抑制でき、これにより、前記第１温度層を排気弁側に形成し、前記第２温度層を吸気弁側に形成することかできる。

その結果、温度の高い第１温度層部分から燃焼が開始され、燃焼する部分が温度の低い第２温度層に変化していくので、圧力上昇率が低くなり、ノッキングや燃焼騒音、あるいはエンジンの損傷といった問題を防止でき、ＨＣＣＩ運転可能領域を拡大できる。

請求項２の発明によれば、前記ガイド壁の排気弁との隙間を排気弁再開時の流路幅より大きく設定し、ガイド壁の高さを前記ガイド壁と排気弁との隙間と略等しく設定したので、排気行程での流路抵抗を大きくすることなく前記気筒中心側の流れを確実に発生でき、ＥＧＲ流が吸気弁側に過度に流れるのを抑制でき、第１温度層を排気弁側に確実に形成できる。

請求項３の発明によれば、ピストンの頂面に、排気弁側と吸気弁側とを仕切るように設けられた凸条部を備えたので、前記ＥＧＲ流のピストン頂面で反転した流れが吸気弁側に流れるのを抑制でき、この点からもＥＧＲガスを排気弁側に留めることができ、排気弁側に第１温度層を確実に形成できる。

請求項４の発明によれば、前記凸条部を、吸気弁側を底とする湾曲形状に形成したので、前記反転流の吸気弁側への流れをより確実に抑制でき、排気弁側に第１温度層をより確実に形成することができる。

請求項５の発明よれば、吸気弁が実質的に閉じた後において排気弁を実質的に際開するようにしたので、新気がＥＧＲガスによって排出されるのを防止できる。

請求項６の発明によれば、前記排気弁の開閉タイミングを運転状況に応じて変化させるバルブタイミング可変機構を備えたので、排気弁のリフト量，再開タイミング及び再開期間をエンジン負荷に応じて適切に制御することができる。

以下本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１〜図２０は本発明の一実施形態による予混合圧縮着火エンジンを説明するための図である。

図において、１は４気筒４バルブＤＯＨＣガソリンエンジンをベースとしたＨＣＣＩエンジンである。該エンジン１は、♯１気筒〜♯４気筒を備えており、該♯１〜♯４気筒は、１気筒あたり２本の吸気弁IN１，IN２と、２本の排気弁EX１，EX２の合計４本の弁を備えている。また、該エンジン１はガソリン筒内噴射弁５３を備え、圧縮比は火花点火燃焼に最適な１２に設定されている。

前記エンジン１の点火順序は♯１−♯３−♯４−♯２気筒となっている。該各気筒間の位相（点火間隔）はクランク軸角度で１８０度であり、従って♯１気筒と♯４気筒の位相、及び♯２気筒と♯３気筒の位相はそれぞれ３６０度である。なお、♯１気筒と♯４気筒のピストン位置、及び♯２気筒と♯３気筒のピストン位置は常に同じであり、♯１気筒及び♯４気筒のピストン位置と♯２気筒及び♯３気筒のピストン位置は１８０度異なる。

前記エンジン１の具体的構造を説明する。前記♯１〜♯４気筒の各シリンダボア１ａ内には、ピストン１ｂが摺動自在に挿入され、該ピストン１ｂはコンロッド１ｆでクランク軸（図示せず）に連結されている。前記シリンダボア１ａの上側に位置する燃焼室１ｃには、吸気ポート１ｄの吸気弁開口１ｄ′、排気ポート１ｅの排気弁開口１ｅ′が２つずつ開口しており、該各開口を前記第１，第２吸気弁IN１，２、第１，第２排気弁EX１，２が開閉するようになっている。

前記第１，第２吸気弁IN１，２の吸気弁開口１ｄ′，１ｄ′は二股状の吸気ポート１ｄでシリンダヘッド前壁側に導出され、該前壁に開口している。

また前記第１排気弁ＥＸ１の排気弁開口１ｅ′，１ｅ′は、二股状の排気ポート１ｅによりシリンダヘッド後壁側に導出され、該後壁に開口している。なお、１ｎは、前記排気ポート１ｅを２つに画成する隔壁であり、５１は点火プラグである。

前記吸気弁ＩＮ１，２、排気弁ＥＸ１，２は、動弁装置４により開閉駆動される。この動弁装置４は、前記吸気弁ＩＮ１，２の開期間及びリフト量を連続的に変化可能とする吸気弁駆動機構７と、前記排気弁ＥＸ１，２を開閉する排気弁駆動機構８とを備えている。

前記排気弁駆動機構８は、クランク軸と平行に配置された排気カム軸６，排気ロッカ軸８ｃと、該排気ロッカ軸８ｃにより揺動可能に軸支された排気ロッカアーム８ａ，８ａと、該各ロッカアーム８ａの先端部に軸支されたローラ８ｂとを備えている。前記排気カム軸６には、ベース円部６ｂとリフト部６ｃとを有する排気カムノーズ６ａが前記各排気弁に対応するように形成されている。

前記排気カム軸６の回転により前記排気カムノーズ６ａが前記ローラ８ｂを介して前記ロッカアーム８ａを上下揺動させ、該ロッカアーム８ａの先端部８ｄが前記排気弁ＥＸを開方向に押し下げる。

前記吸気弁駆動機構７は、クランク軸と平行に配置された吸気カム軸５，吸気ロッカ軸７ｅ，及び支持軸７ｄと、該支持軸７ｄに揺動可能に支持された揺動カム７ａと、該揺動カム７ａにより吸気コントロールアーム７ｃを介して揺動駆動される吸気ロッカアーム７ｂとを備えている。前記吸気カム軸５には、各気筒毎に各吸気弁に対応するように吸気カムノーズ５ａが形成されている。該各吸気カムノーズ５ａはベース円部５ｂと、リフト部５ｃとを有する。

前記吸気ロッカアーム７ｂのリング状の基端部７ｂ′は前記吸気ロッカ軸７ｅにより軸支されている。前記吸気コントロールアーム７ｃのリング状の基端部７ｃ′は、前記吸気ロッカ軸７ｅの軸心から偏心するアーム支持軸７ｅ′により軸支されている。前記吸気ロッカ軸７ｅを回動させると、吸気コントロールアーム７ｃは前後に進退し、先端部のローラ７ｆの前記揺動カム７ａとの摺接開始位置が変化し、もって吸気弁の開期間，リフト量が変化する。

前記吸気カム軸５を回転させると、該吸気カム軸５の吸気カムノーズ５ａが前記揺動カム７ａ，吸気コントロールアーム７ｃを介して前記吸気ロッカアーム７ｂを上下に揺動させ、該吸気ロッカアーム７ｂの先端部が吸気弁IN１，２を開方向に押し下げる。

また、図５〜図９に示すように、排気弁開口１ｅ′には、ガイド壁５０が設けられている。このガイド壁５０は、排気逆流（ＥＧＲガス流）の一部を気筒中心側にて気筒軸Ａ方向に方向付けして気筒中心縦流Ｂとして流下させるためのものである。この気筒中心縦流Ｂにより、気筒内壁面の排気弁側部分に沿って気筒軸A方向に流れるＥＧＲ流Ｃが、ピストン頂面にて上方に反転する流れＣ′となる際に過度に吸気弁側に流れるのを抑制する。即ち、前記ＥＧＲ流Ｃは、吸気ポートから流入して気筒内の排気弁側部分に位置している新気を順次押し出してこれと入れ替わるよう作用するが、前記気筒中心縦流Ｂは、前記反転する流れＣ′を減衰させ、前記ＥＧＲ流Ｃが過度に吸気弁側に流れるのを抑制し、もってＥＧＲガスを排気弁側に留めるように作用する。なお、ガイド壁５０は、基本的に排気弁と排気弁開口との間に形成される流路の抵抗を大きくすることはないので、ＥＧＲ流Ｃの流量，気筒中心縦流Ｂの流量はそれぞれ概ね前記流路の、ガイド壁のない部分の周長，ガイド壁のある部分の周長に比例する。

前記ガイド壁５０は、シリンダヘッドの燃焼室天井壁面に一体形成されている。そしてこのガイド壁５０は、図６，図９に示すように、円形をなす前記排気弁開口１ｅ′の周縁に沿う円弧状をなしており、その大部分は排気弁開口１ｅ′の中心ａを通るクランク軸と平行な直線ｂより吸気弁側に位置し、一部は排気弁側に位置している。

また前記ガイド壁５０は、排気弁軸方向に延びるガイド壁高さＨを有し、また排気弁ＥＸの弁頭１ｐとの間にガイド壁隙間Ｄを有する。

前記ガイド壁隙間Ｄは、ガイド壁５０が流路抵抗とならない十分な寸法に設定されている。具体的には前記ＥＧＲ開弁時の排気弁開口１ｅ′と弁頭１ｐのシール面間寸法である流路幅Ｗと同等又はそれ以上の寸法に、より具体的には例えば２〜３ｍｍ程度に設定されている。

また前記ガイド壁高さＨは、前記排気逆流の一部を気筒中心側にて気筒軸方向の流れに変えるのに十分な高さに設定されている。具体的には、前記ガイド壁隙間Dと略同一寸法に、より具体的には例えば２〜３ｍｍ程度に設定されている。

なお、前記ガイド壁高さＨ及びガイド壁隙間Ｄは、ガイド壁５０の周方向において同一寸法であることが望ましいが、燃焼室の天井壁面形状に合わせて変化させても良い。

また、前記ピストン１ｂの頂面１ｇには、前記ＥＧＲ流Ｃの吸気弁側への流れを抑制する凸条部１ｈが形成されている。この凸条部１ｈは、クランク軸方向に延びており、吸気弁側の縁部１ｉはクランク軸と平行に形成されているのに対し、排気弁側の縁部１ｊは吸気弁側を底とする湾曲形状に形成されている。

なお、前記凸条部としては、図１４に示すように、吸気弁側の縁部１ｉ及び排気弁側の縁部１ｊ′の両方ともクランク軸と平行に形成した直線状の凸条部１ｈ′であっても良い。

前記エンジン１に接続された吸気装置３は、所定の容積を有するサージタンク３ｅと、該サージタンク３ｅから分岐して前記♯１気筒〜♯４気筒のそれぞれの吸気ポート１ｄに接続された分岐管３ａ〜３ｄとを有する。前記サージタンク３ｅの一端に形成された吸入口３ｆには吸気絞り弁３ｇが配設され、該吸気絞り弁３ｇの上流側にはエアクリーナ（図示せず）が接続されている。

また、前記エンジン１に接続された排気装置２は、気筒毎の枝管２ａ，２ｄ，２ｂ，２ｃの長さが比較的長く設定され、位相（点火間隔）が３６０度の前記♯１気筒と♯４気筒を連結して排気する第１の排気系２２と、同じく位相３６０度の♯２気筒と♯３気筒を連結して排気する第２の排気系２３とを備えたいわゆる４−２−１排気系となっており、高負荷運転領域において排気干渉が避けられるので出力向上に適している。

前記第１の排気系２２は、♯１気筒，♯４気筒の排気ポートの外部開口に接続された第１，第４枝管２ａ，２ｄと、該両枝管２ａ，２ｄを合流させる第１合流管２ｅを有する。前記第２の排気系２３は、♯２気筒，♯３気筒の排気ポート１ｅに接続された第２，第３枝管２ｂ，２ｃと、該両枝管２ｂ，２ｃを合流させる第２合流管２ｆを有する。そして前記第１，第２合流管２ｅ，２ｆはメイン管２ｇに合流している。

また前記第１，第２合流管２ｅ，２ｆには、上流側触媒２ｉ，２ｉが介設され、前記メイン管２ｇには下流側触媒２ｊが介設されている。さらにまた、前記メイン管２ｇの下流側触媒２ｊより上流側には、排気ポート面積を可変制御する排気絞り弁２ｈが介設されている。

本実施形態エンジンは、♯４気筒（第１気筒）の膨張行程から排気行程の下死点付近の燃焼室内圧力波（排気ブローダウン圧力波）を、該♯４気筒と燃焼タイミングが３６０度異なる♯１気筒（第２気筒）の吸気行程から圧縮行程の下死点付近において、排気ポート１ｅに作用させるブローダウン過給機構４０と、前記♯１気筒の排気弁ＥＸ１，２を吸気行程から圧縮行程の下死点付近で再度開くＥＧＲ開弁機構（排気弁再開機構）９とを備えている。これにより前記♯４気筒からの排気ブローダウン圧力波により、温度の高いＥＧＲガスを前記排気ポート１ｅから燃焼室内に過給するようになっている。

なお、前記ブローダウン過給機構４０及びＥＧＲ開弁機構９は、前記♯１気筒からの排気ブローダウン圧力波を利用してＥＧＲガスを♯４気筒に過給するようにも構成されており、さらに♯２気筒からの排気ブローダウン圧力を利用して♯３気筒にＥＧＲガスを過給し、逆に♯３気筒からの排気ブローダウン圧力を利用して♯２気筒にＥＧＲガスを過給するようにも構成されている。以下、前記♯１気筒と♯４気筒との関係について詳述する。

前記ブローダウン過給機構４０は、前記♯１気筒と♯４気筒との燃焼タイミングを３６０度ずらすとともに、♯４気筒からの排気ブローダウン圧力波が♯１気筒の吸気行程下死点付近で該♯１気筒の排気ポートに到達するように両気筒間の排気枝管２ａ，２ｄの長さを設定することにより実現される。また前記ＥＧＲ開弁機構９は、吸気カム軸５により♯１気筒の排気弁EX１，２を、図１１のリフトカーブＥＧＲに示すように、該♯１気筒の吸気行程から圧縮行程の下死点付近で再度開くように構成されている。

前記ＥＧＲ開弁機構９は、前記吸気カム軸５に形成されたＥＧＲカムノーズ５ａ′と、前記支持軸７ｄに軸支された排気ロッカカム１０と、前記排気ロッカ軸８ｃに軸支された中間レバー１１と、該排気ロッカ軸８ｃの軸心から偏心するアーム支持軸８ｃ′により軸支された排気コントロールアーム１３と、前記排気カム軸６に形成されたＥＧＲガイドカム６ｂ′とを備えている。

前記吸気カム軸５側のＥＧＲカムノーズ５ａ′は、前記吸気カム軸５の２つの吸気カムノーズ５ａ，５ａ間に形成されている。このＥＧＲカムノーズ５ａ′は、前記吸気側のベース円部５ｂと同一径のＥＧＲベース円部５ｂ′と、前記吸気側のリフト部５ｃよりリフト量の小さいＥＧＲリフト部５ｃ′とを有する。

また前記排気カム軸６側のＥＧＲガイドカム６ｂ′は、前記排気カムノーズ６ａのベース円部６ｂと同一径を有する。なお、このＥＧＲガイドカム６ｂ′は、ベース円部のみからなり、リフト部は有しない。

前記排気ロッカカム１０の前記支持軸７ｄを挟んだ一側にはローラ１０ａが配設され、また他側にはカム面１０ｂが形成されている。前記ローラ１０ａは前記ＥＧＲカムノーズ５ａ′に転接しており、前記カム面１０ｂには排気コントロールアーム１３のローラ１３ｂが転接している。

前記中間レバー１１は、概ね三角形状をなし、該三角形の頂角部が前記排気ロッカ軸８ｃにより揺動可能に支持されている。また前記三角形の一方の底角部にはローラ８ｂが軸支され、他方の底角部に続く斜辺部にはカム面１１ａが形成されている。前記ローラ８ｂは前記ＥＧＲガイドカム６ｂ′に転接し、前記カム面１１ａには前記排気コントロールアーム１３の先端に形成された押圧部１３ａが摺接している。

ここで、前記中間レバー１１と２つの排気ロッカアーム８ａ，８ａとの間には、該中間レバー１１の揺動を該排気ロッカアーム８ａ，８ａに伝達するＥＧＲ開弁オン状態と前記揺動を伝達しないＥＧＲ開弁オフ状態との何れかに切替え可能の切替機構１２が形成されている。

前記切替機構１２は、図４に示すように、前記中間レバー１１の先端部及び排気ロッカアーム８ａ，８ａの先端部に同軸をなすように連結穴１２ａを形成し、該連結穴１２ａ内に連結ピストン１２ｂ，１２ｃを軸方向に摺動可能に、かつ軸直角方向に相対移動可能に配置した構造のものである。

また前記連結ピストン１２ｂの一端面と連結穴１２ａの一端とで油圧室１２ｅが形成され、連結ピストン１２ｃの他端面と連結穴１２ａの他端との間にはストッパ１２ｄを介在させてリターンスプリング１２ｆが配設されている。前記油圧室１２ｅには、前記ロッカ軸８ｃに形成された油圧通路を介して油圧を供給可能となっている。

油圧が前記油圧室１２ｅに供給されると、前記連結ピストン１２ｃ，１２ｂが中間レバー１１と排気ロッカアーム８ａとの境界を跨ぐ位置（図４（ａ））に位置し、前記ＥＧＲ開弁オン状態となる。そして前記油圧が開放されると、前記連結ピストン１２ｃと前記連結ピストン１２ｂ及びストッパ１２ｄとの接触部が前記境界に一致し（図４（ｂ））前記ＥＧＲ開弁オフ状態となる。

さらにまた前記吸気カム軸５は、該吸気カム軸５の位相を自由に制御可能の吸気カム位相可変機構１５を備えている。吸気カム軸５の位相を変化させると、吸気弁IN１，２の吸気行程における開閉時期が変化すると同時に、排気弁EX１，２のＥＧＲ開弁動作における開閉時期も同じ位相だけ変化する。また前記排気カム軸６は、該排気カム軸６の位相を自由に制御可能の排気カム位相可変機構１６を備えている。

前記♯１気筒（本発明の第２気筒に相当する）に、♯４気筒（本発明の第１気筒に相当する）からの排気ブローダウン圧力波を利用してＥＧＲガスが過給される場合について詳細に説明する。

図１５は、♯１気筒と♯４気筒の排気弁，吸気弁のリフトカーブＥＸ，ＩＮ、ＥＧＲ開弁機構９による排気弁の再度の開時のリフトカーブＥＧＲを示す。同図に示すように、排気弁は、ＥＧＲ開弁機構９により、各気筒の吸気行程から圧縮行程の下死点付近において再度開となる。

本実施形態エンジン１では、ＥＧＲガスの過給を行うべき所定の運転域（ＨＣＣＩ運転域）にあっては、上述の切替機構１２の油圧室１２ｅに油圧が供給され、連結ピストン１２ｂ，１２ｃが図４（ａ）の位置に移動し、これにより吸気カム軸５のＥＧＲカムノーズ５ａ′によって排気弁EX１，２が開閉駆動される。詳細には、ＥＧＲカムノーズ５ａ′のリフト部５ｃ′がローラ１０ａを介して排気ロッカカム１０を揺動させると、この揺動がローラ１３ｂを介して中間レバー１１に伝達され、該中間レバー１１と共に排気ロッカアーム８ａが揺動し、これにより排気弁EX１，２は図１５に示すリフトカーブＥＧＲに基づいてＥＧＲ開弁動作を行う。

また本実施形態エンジン１では、図１６に示すように、吸気弁の閉タイミング及びリフト量がエンジン運転状態に応じて可変制御され(リフトカーブIN参照）、これに伴って、前記排気弁の再開時の開タイミング及びリフト量が可変制御される(リフトカーブEGR参照)。具体的には、低中負荷運転域では、吸気弁の開期間及びリフト量は小となり、排気弁の再開時の開期間及びリフト量は大となる。これにより新気量は減少し、ＥＧＲガス量は増加する。一方、高負荷運転域では、吸気弁の開期間及びリフト量は大となり、排気弁の再開時の開期間及びリフト量は小となる。これにより新気量が増加し、ＥＧＲガス量は減少する。

なお、ＥＧＲガスの過給を行わない運転領域にあっては、前記油圧の供給が停止され、連結ピン１２ｂが図４（ｂ）の位置に移動し、中間レバー１１の揺動は排気ロッカアーム８ａには伝達されず、従って排気弁はＥＧＲ開弁動作を行なわない。

本実施形態エンジンでは、♯１気筒が吸気下死点に近づくと、♯４気筒の排気弁が膨張行程下死点付近で開き始め、該♯４気筒からの排気ブローダウン圧力波が排気系に排出される。この排気ブローダウン圧力波は、前記特定長さに設定された排気枝管２ｄ ，２ａを経て♯１気筒側に向かう（図１５参照）。このとき♯１気筒では、吸気行程から圧縮行程の下死点付近において前記ＥＧＲ開弁機構９が排気弁をリフトカーブＥＧＲに示すように再度開く。この排気弁の再度の開にタイミングを合わせて前記排気ブローダウン圧力波が、♯１気筒の排気ポート１ｅに到達し、この排気ブローダウン圧力波により前記排気ポートｅ内のＥＧＲガスが♯１気筒のシリンダボア１ａ内に押し込まれる。

このようにして過給されたＥＧＲガスは、排気弁開口１ｅ′にガイド壁５０が配設されており、かつ該ガイド壁５０の高さ寸法Ｈがガイド壁と排気弁との隙間Ｄと略同一寸法に設定されているので、該ガイド壁５０の存在しない部分における排気弁の弁頭１ｐと排気弁開口１ｅ′との隙間ｓから気筒内にＥＧＲ流Ｃとなって流下する。また同時に、前記ガイド壁５０と弁頭１ｐとの間にガイド壁隙間Ｄが設けられているので、前記ＥＧＲガスの一部は、気筒中心側にて気筒中心縦流Ｂとなって流下する。

このようにガイド壁５０を設けたので、排気逆流を、気筒内壁面の排気弁側部分に沿って気筒軸Ａ方向に流れるＥＧＲ流Ｃとして流下させ、かつ前記排気逆流の一部を、気筒中心側にて気筒軸Ａ方向に方向付けして気筒中心縦流Ｂとして流下させることができる。即ち、前記気筒中心縦流Ｂにより前記ＥＧＲ流Ｃが、ピストン頂面にて上方に反転する流れＣ′となる際に過度に吸気弁側に流れるのを抑制することができる。前述のように、前記ＥＧＲ流Ｃは、吸気ポートから流入して気筒内の排気弁側部分に位置している新気を順次押し出してこれと入れ替わるよう作用するが、前記気筒中心縦流Ｂは、前記ＥＧＲ流Ｃの反転する流れＣ′を減衰させ、該ＥＧＲ流Ｃが過度に吸気弁側に流れるのを抑制し、もってＥＧＲガスを排気側に留めるように作用する。

その結果、気筒内の排気弁側に、新気に多量のＥＧＲガスが含まれることにより温度が高い第１温度層Ｔ１が形成され、吸気弁側に、新気に前記第１温度層Ｔ１より少量のＥＧＲガスが含まれることにより該第１温度層より温度が低い第２温度層Ｔ２が形成される。

ここで図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、前記実施形態のガイド壁５０を設けた場合で、かつピストン１ｂが圧縮行程開始後のＢＴＤＣ１２０°，６０°，０°に位置している状態での温度分布を示す。各図の左側部分は、シリンダボア１ａを気筒軸Ａを含むクランク軸と直角の平面で断面した時の温度分布を示し、各図の右側はシリンダボア１ａ内の燃焼室天井壁〜ピストン頂面間の略中央にて気筒軸Ａと直交する平面で断面した時の温度分布を示す。また図１８（ａ），（ｂ），（ｃ）は排気弁との間に隙間を有しないマスクを設けた場合の比較例の温度分布を示す。また、図１７（ｃ），図１８（ｃ）における１ｈは、ピストン１ｂの凸条部を示し、この部分には新気もＥＧＲガスも存在しない。

図１８に示すように、排気弁との間に隙間を有しないマスクを設けた場合には、ＥＧＲ流Ｃが過度に吸気側に流れており、第１温度層Ｔ１が吸気弁側に形成され、第２温度層Ｔ２が排気弁側に形成されている。また第１温度層Ｔ１が形成されている吸気弁側にも第２温度層Ｔ２が形成されており、従って吸気弁側では第１温度層Ｔ１と第２温度層Ｔ２との温度差は大きくないと考えられる。

一方、図１７に示すように、ガイド壁隙間Ｄを有するガイド壁５０を備えた場合には、排気弁側にＥＧＲ流Ｃが形成されるとともに、気筒中心側には気筒中心縦流Ｂが形成されている。これによりＥＧＲ流Ｃが過度に吸気弁側に流れるのが気筒中心縦流Ｂにより抑制され、その結果ＥＧＲガスが排気側に集まっており、第１温度層Ｔ１が排気弁側に形成されており、かつ該排気弁側は第１温度層ｔ１のみが形成されていることが判る。

また図１９は、ピストン１ｂの頂面１ｇに湾曲形状の凸条部１ｈ（図１３参照）を設けた場合の効果を示し、図２０は直線条の凸条部１ｈ′（図１４参照）を備えた場合の効果を示す。

前記湾曲条の凸条部１ｈ，直線条の凸条部１ｈ′の何れにもおいても、前記ＥＧＲ流Ｃのピストン頂面上で反転する流れＣ′を抑制する効果が得られている。また、前記凸条部１ｈ，１ｈ′によりＥＧＲガスを排気弁側に留めることができ、排気弁側に第１温度層Ｔ１が形成されていることがわかる。なかでも、湾曲状の凸条部１ｈを設けた場合には、排気弁側により多くのＥＧＲガスを集めることができる。

本実施形態によれば、吸気行程から圧縮行程の下死点付近において排気ポートから温度の高い排気を気筒内に再吸入するように構成したので、排気を再吸入した後においては新気はほとんど流入しないこととなり、ＥＧＲガスと新気が混合するのを抑制してＥＧＲガスを偏在させることができ、温度差のある第１温度層Ｔ１と第２温度層Ｔ２を形成できる。

さらに排気弁開口１ｅ′，１ｅ′部分にガイド壁隙間Ｄ及びガイド壁高さＨを有するガイド壁５０を設けたので、前記加圧供給されたＥＧＲ流Ｃが吸気弁側に流れるのを抑制する気筒中心縦流Ｂを形成でき、ＥＧＲガスを排気弁側に留めることができる。これにより排気弁側に温度の高い第１温度層Ｔ１を形成するとともに吸気弁側に第２温度層Ｔ２を形成でき、かつ両者の温度差を明確にすることができる。また、燃焼室壁温が高い排気側に第一温度層Ｔ１を形成したので、壁面冷却による第1温度層Ｔ１の温度低下を抑制できる。

その結果、温度の高い第１温度層Ｔ１部分から燃焼が開始され、燃焼する部分が温度の低い第２温度層Ｔ２に変化していくので、圧力上昇率が低くなり、ノッキングや燃焼騒音、あるいはエンジンの損傷といった問題を防止でき、ＨＣＣＩ運転可能領域を拡大できる。

さらまた前記ガイド壁５０の、ガイド壁隙間Ｄを排気弁と排気弁開口とのシール面間寸法である流路幅Ｗより大きく設定するとともに、排気弁軸方向におけるガイド壁高さＨを、前記ガイド壁隙間Ｄ程度に設定したので、排気行程における排気の排出の抵抗になることなくＥＧＲガスがガイド壁５０側を通って気筒内に流入する気筒中心縦流Ｂを確実に発生させることができる。なお、ガイド壁高さＨを大きくすれば、ＥＧＲガスの気筒中心縦流Ｂをより一層確実に形成できるが、排気排出抵抗が大きくなるおそれがある。

また、ピストン１ｂの頂面１ｇに、排気弁側と吸気弁側とを仕切るように設けられた凸条部１ｈを備えたので、前記ＥＧＲ流Ｃのピストン頂面１ｇで反転した流れＣ′が吸気弁側に流れるのを抑制でき、この点からもＥＧＲガスを排気弁側に留めることができ、排気弁側に第１温度層Ｔ１を確実に形成できる。

また、前記凸条部１ｈを、吸気弁側を底とする湾曲形状に形成したので、前記反転流Ｃ′の吸気弁側への流れをより確実に抑制でき、排気弁側に第１温度層Ｔ１をより確実に形成することができる。

さらにまた、吸気弁INが実質的に閉じた後において排気弁EXを実質的に再開するようにしたので、新気がＥＧＲガスによって排出されるのを防止できる。

また、前記排気弁EXの再開リフト量やタイミングを運転状況に応じて変化させるようにしたので、排気弁EXの再開リフト量，再開タイミング及び再開期間をエンジン負荷に応じて適切に制御することができる。

なお、本発明におけるガイド壁の周長，高さ寸法，弁頭との隙間は、本願の各請求項に記載の発明の趣旨に反しない範囲であらゆるものが選択可能であり、前記実施形態に記載のものに限定されることはない。

さらにまた前記燃焼室天井壁の、吸気弁開口１ｄ′と排気弁開口１ｅ′との間に位置する平坦面であるいわゆるスキッシュエリアの側壁に形成された段差部分を利用して前記ガイド壁を構成しても良い。

また、前記実施形態では、通常の排気行程を実行する排気弁をＥＧＲ弁に兼用したが、ＥＧＲ専用の弁を設けても勿論構わない。

本発明の一実施形態による予混合圧縮着火エンジンの模式構成図である。 前記エンジンの断面側面図である。 前記エンジンの動弁装置の模式平面図である。 前記動弁装置の切換機構の模式断面平面図である。 前記エンジンの断面側面図である。 前記エンジンのガイド壁を示す図(図５のVI 矢視図)である。 前記ガイド壁を示す断面図(図VII-VII線断面図)である。 前記ガイド壁の高さ，隙間等を示す拡大図である。 前記ガイド壁の配置状態を示す模式図である。 前記エンジンのピストンの平面図である。 前記ピストンの断面側面図(図１０のXI-XI線断面図)である。 前記ピストンの側面図である。 前記ピストンの頂面を示す斜視図である。 前記ピストンの頂面を示す斜視図である。 前記エンジンの動作を説明するための図である。 前記エンジンの動作を説明するための図である。 前記エンジンの動作を説明するための図である。 比較例の動作を説明するための図である。 前記エンジンの動作を説明するための図である。 前記エンジンの動作を説明するための図である。

符号の説明

１ エンジン
１ｂ ピストン
１ｄ 吸気ポート
１ｅ 排気ポート
１ｇ 頂面
１ｈ 凸条部
９ ＥＧＲ開弁機構（排気弁再開機構）
１５，１６ 吸気カム，排気カム位相可変機構（バルブタイミング可変機構）
４０ ブローダウン圧力波過給機構
５０ ガイド壁
♯１ 第２気筒
♯４ 第１気筒
Ｄ ガイド壁隙間
Ｈ ガイド壁高さ
IN 吸気弁
Ex排気弁
Ｔ１ 第１温度層
Ｔ２ 第２温度層
Ｌ 再開時のリフト
Ｗ 流路幅

Claims (6)

1. 第１気筒と、該第１気筒と燃焼タイミングが異なる第２気筒とを有し、吸気弁で開閉される吸気ポートを介して気筒内に新気を導入するとともに、排気弁で開閉される排気ポートを介して気筒内に排気を再吸入するように構成された予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンにおいて、
   前記第２気筒の排気弁を吸気行程から圧縮行程の下死点付近で再度開とする排気弁再開機構と、
   前記第１気筒の排気弁開時の燃焼室内からの圧力波（ブローダウン圧力波）を前記第２気筒の排気ポートに、かつ該第２気筒の排気弁の再開期間に作用させることにより排気を第２気筒内に加圧供給するブローダウン圧力波過給機構と、
   前記第２気筒の中心側に、前記排気弁との間に隙間を開けて設けられ、該第２気筒内に加圧供給された排気（ＥＧＲガス）の一部を前記第２気筒の中心側にて気筒軸方向に方向付けして流下させるガイド壁とを備え、
   前記第２気筒内の排気弁側に、新気に多量の前記ＥＧＲガスを含む温度の高い第１温度層を形成するとともに、前記第２気筒の吸気弁側に、新気に前記第１温度層より少量の前記ＥＧＲガスを含み、該第１温度層より温度の低い第２温度層を形成することを特徴とする予混合圧縮着火エンジン。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、
   前記ガイド壁は、円形をなす前記排気弁開口の気筒中心側の周縁に沿う円弧状をなしており、前記ガイド壁の排気弁との隙間は、前記排気弁の再開時の流路幅より大きく設定され、前記ガイド壁の燃焼室天井壁面からの高さは前記ガイド壁と排気弁との前記隙間と略等しく設定されていることを特徴とする予混合圧縮着火エンジン。
3. 請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、
   ピストンの頂面に、排気弁側と吸気弁側とを仕切るように設けられた凸条部を備えたことを特徴とする予混合圧縮着火エンジン。
4. 請求項３に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、
   前記凸条部は、吸気弁側を底とする湾曲形状を有することを特徴とする予混合圧縮着火エンジン。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、
   前記排気弁再開機構は、吸気弁が実質的に閉じた後において排気弁を実質的に開くことを特徴とする予混合圧縮着火エンジン。
6. 請求項５に記載の予混合圧縮着火エンジンにおいて、
   前記排気弁の開閉タイミングを運転状況に応じて変化させるバルブタイミング可変機構を備えたことを特徴とする予混合圧縮着火エンジン。

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