JP5183630B2 - ４サイクルエンジン - 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４サイクルエンジンに関する。

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噴射供給するのに対し、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が進み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。

本願発明者は、このＨＣＣＩエンジンの運転領域を拡大するには、内部ＥＧＲ量の制御と、過給機無しでも過給を実現することが重要であると考え、その方法を提案した。

上述の方法でＨＣＣＩエンジンの運転領域を拡大できるものの、高負荷運転域ではまだ圧力上昇率が高過ぎ、実用的なＨＣＣＩ運転ができない。圧力上昇率を低下させ、通常の火花点火エンジン並の緩慢燃焼を実現する手段として、混合気や温度分布の成層化が効果的であるとされている（非特許文献１参照）
ＪＳＡＥ２００５５６６７

上記非特許文献１には、２つの吸気ポートの吸気をヒータで加熱して温度差を付ける点と、その温度差が大きくなると熱発生率の大きさと期間が大きく変化する点とが示されている。しかし上記文献１では、緩慢燃焼の実現が実験やシミュレーションによって証明されているものの、実用的な手法とは言い難い。

本発明は、上記従来の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実現して高負荷のノッキングを防止できる４サイクル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、燃焼室内に早期に噴射された燃料を、あるいは吸気ポート内で空気に混合されて燃焼室内に導入された燃料を、圧縮による温度上昇によって圧縮上死点付近で自己着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）４サイクルエンジンにおいて、
上記第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、
上記第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）を上記第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、
上記燃焼室の天井壁側に形成され、上記第２気筒内に加圧供給された排気（ＥＧＲガス）が吸気ポートから流入する新気と混合するのを抑制するマスク部材とを備え、
上記マスク部材は、円形をなす上記排気弁開口の周縁に沿う円弧状をなしており、上記加圧供給されたＥＧＲガスが気筒内壁面の、上記排気弁開口の中心より排気ポート側の部分に沿って流れるように、かつその大部分が上記排気弁開口の中心を通るクランク軸に平行な排気弁開口直線より反排気ポート側に位置するようにその周長及び配置位置が設定されており、
上記第２気筒内において、新気に多量の上記ＥＧＲガスを含む温度の高い第１温度層が、排気弁開口のクランク軸方向両側部分においてシリンダボアの内周面に沿うように形成され、新気に上記第１温度層より少量のＥＧＲガスを含み、該第１温度層より温度の低い第２温度層が上記両第１温度層の間に位置するように形成される
ことを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１において、上記マスク部材は、上記排気弁開口の中心を通る上記円弧状の２等分線が排気弁開口直線より吸気ポート側の気筒内壁面部分と交差するようその周長及び配置位置が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において、上記マスク部材は、排気弁開口の最も吸気ポート側に位置する部分を０°として時計回りに見たとき、マスク中心が３００°〜６０°の範囲内に位置するよう配置され、上記マスク中心±９０°〜１８０°の周長を有することを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかにおいて、上記マスク部材の、排気弁軸方向における高さ寸法は、上記排気弁の再開時のリフト量以下に設定されている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。

さらに排気弁開口部分に、上記加圧供給されたＥＧＲガス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たので、この点からもＥＧＲガスと新気とが混合するのを抑制でき、上記第１温度層と第２温度層との温度差をより一層確実に得ることができる。

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る。

また、ＨＣＣＩエンジンにおいて、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するとともに、排気弁開口部分に、上記加圧供給されたＥＧＲガス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たので、温度差のある第１温度層と第２温度層を形成でき、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。

さらに、上記マスク部材の周長及び配置位置を、上記加圧供給されたＥＧＲガスが気筒内壁面の、排気弁開口の中心より排気ポート側の部分に沿って流れるよう設定したので、具体的には、マスク部材の大部分を、排気弁開口直線より反排気ポート側に位置するように配置したので、あるいは請求項２に示すように、マスク部材の２等分線（マスク部材の中心）が排気弁開口直線より排気ポート側の気筒内壁面部分と交差するように構成したので、再吸入されたＥＧＲガスを、気筒内壁面の排気ポート側部分に沿って流すことができ、これにより気筒内壁面側の新気を順次内壁付近から追い出してＥＧＲガスを気筒内壁に沿わせて存在させることができる。その結果、ＥＧＲガスの排気ポート側の内壁に沿った部分は新気と接触することがないので、新気との混合を確実に抑制でき、第１温度層と第２温度層との温度差をより一層確実に得ることができる。

請求項３の発明では、上記マスク部材の配置位置を、マスク中心が３００°〜６０°の範囲内に位置するよう設定し、周長を上記マスク中心±９０°〜１８０°としたので、上記請求項１又は２に記載の構成を実現する具体的構成を提供でき、上述の作用効果を得ることができる。

請求項４の発明では、上記マスク部材の、排気弁軸方向における高さ寸法を、上記排気弁の再開時のリフト量以下に設定したので、排気行程における排気の排出の抵抗になることなくＥＧＲガスがマスク側を通って気筒内に流入するを確実に防止でき、上述のようにＥＧＲガスを排気ポート側の気筒内壁面に沿って流入させることができる。

本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの模式構成図である。 上記エンジンの断面側面図である。 上記エンジンの動弁装置の模式平面図である。 上記動弁装置の切換機構の模式断面平面図である。 上記エンジンのマスク部材の配置状態を示す模式斜視図である。 上記エンジンのマスク部材の配置状態を示す模式平面図である。 上記エンジンの左側の排気弁ＥＸ２のマスク部材の周長及び配置位置の範囲を説明するための模式平面図である。 上記排気弁ＥＸ２のマスク部材のより好適な配置位置を説明するための模式平面図である。 上記実施形態エンジンのシリンダボア内温度分布を示す模式断面側面図である。 上記実施形態エンジンのシリンダボア内温度分布を示す模式断面平面図（図９のX-X線断面図）である。 上記エンジンの吸気弁，排気弁の開閉タイミング及びＥＧＲ開閉タイミングを示す図である。 本発明の効果を確認するためのシミュレーション方法を説明するための図である。 本発明の効果を確認するためのシミュレーション結果を説明するための図である。

符号の説明

１ ４サイクルエンジン
１ａ シリンダボア（気筒内壁面）
１ｄ 吸気ポート
１ｅ 排気ポート
１ｅ′ 排気弁開口
９ ＥＧＲ開弁機構（排気弁再開機構）
４０ブローダウン圧力波過給機構
５０ マスク部材
Ａ 気筒軸線
ｅ 排気弁開口直線
ｅ′ 気筒直線
ｅ１ 排気弁開口の中心
ＥＸ 排気弁
ｆ ２等分線
ＩＮ 吸気弁
Ｔ１ 第１温度層
Ｔ２ 第２温度層
♯１ 第２気筒
♯４ 第１気筒

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１１は本発明の一実施形態による４サイクルエンジンを説明するための図であり、図１は全体構成図、図２は該エンジンの断面側面図、図３は動弁機構の平面模式図、図４は切換機構の模式図、図５はマスク部材の斜視図、図６〜図８はマスク部材の配置位置，周長を説明するための図、図９，図１０は温度成層を説明するための図、図１１はブローダウン圧力波過給やＥＧＲ開弁動作を説明するための模式図である。

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、それぞれ２本ずつの吸気弁IN１，IN２と、２本ずつの排気弁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１３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。

上記エンジン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。

上記エンジン１の具体的構造を説明する。上記♯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。上記シリンダボア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、該各開口を上記第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。

上記第１，第２吸気弁用吸気弁開口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。

また上記第１排気弁ＥＸ１用開口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、上記排気ポート１ｅを２つに画成する隔壁である。

上記吸気弁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、上記吸気弁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、上記排気弁ＥＸ１，２を開閉する排気弁駆動機構８とを備えている。

上記排気弁駆動機構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。上記排気カム軸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が上記各排気弁に対応するように形成されている。

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

上記吸気弁駆動機構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。上記吸気カム軸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。

上記吸気ロッカアーム７ｂのリング状の基端部７ｂ′は上記吸気ロッカ軸７ｅにより軸支されている。上記吸気コントロールアーム７ｃのリング状の基端部７ｃ′は、上記吸気ロッカ軸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。上記吸気ロッカ軸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の上記揺動カム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。

上記吸気カム軸５を回転させると、該吸気カム軸５の吸気カムノーズ５ａが上記揺動カム７ａ，吸気コントロールアーム７ｃを介して上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２，図５に示すように、排気弁開口１ｅ′には、マスク部材５０が、排気弁ＥＸの弁頭１ｐの外周を所定の角度範囲で覆うように配置されている。このマスク部材５０は、排気逆流（ＥＧＲガス流）を、気筒内壁面の排気ポート側部分に沿って気筒軸Ａ方向に流下させるためのものである。これにより該ＥＧＲガスが、吸気ポートから流入して気筒内壁面の排気ポート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り、もってＥＧＲガスの新気への混合が抑制される。

上記マスク部材５０は、排気弁ＥＸの弁頭１ｐに一体形成されるか、又はシリンダヘッドの燃焼室天井壁側に一体形成されている。またこのマスク部材５０は、円形をなす上記排気弁開口１ｅ′の周縁に沿う円弧状をなしており、該マスク部材５０の、排気弁軸方向寸法（高さ寸法）は、該排気弁の後述するＥＧＲ開弁時のリフト量と略同一寸法、具体的には例えば２〜３ｍｍ程度に設定されている。

上記マスク部材５０の周長（周方向長さ），配置位置は、上記ＥＧＲガスの大部分が、気筒内壁面（シリンダボア１ａの内周面）の、気筒軸線Ａを通るクランク軸と平行な気筒直線ｅ′より排気ポート１ｅ側の部分（図６に斜線を施した領域）Ｇに沿って、図２に破線の矢印Ｃに示すように流れるように設定されている。

換言すれば、上記マスク部材５０は、その周長の大部分が、上記排気弁開口１ｅ′，１ｅ′の中心ｅ１′，ｅ１′を結ぶ排気弁開口直線ｅより反排気ポート側、つまり吸気ポート１ｄ側に位置するようにその周長及び配置位置が設定されている。

さらに換言すれば、上記マスク部材５０は、上記排気弁開口の中心ｅ１′を通る該マスク部材の周長の２等分線ｆの延長線が、上記領域Ｇの、上記排気弁開口直線ｅより排気ポート側の部分と交差するようその周長及び配置位置が設定されている。

上記マスク部材５０の周長及び配置位置の具体例を、図６〜図８に基づいて詳述する。なお、左側の排気弁ＥＸ２のマスク部材５０と、右側の排気弁ＥＸのマスク部材５０とは、気筒軸線Ａを通るクランク軸と直交する直線ｈを挟んで左右対称形をなす周長、配置位置となっているので、主に左側の排気弁ＥＸ２のマスク部材５０について説明する。

以下、上記マスク部材５０の中心位置及び周長を、排気弁開口１ｅ′の周縁の、最も吸気ポート側に位置する点ｇ（図６参照）を０°として時計回りの角度で示す。

図７は、本発明に含まれるマスク部材の周長，配置位置の範囲を示し、図８はより好適な周長及び配置位置の範囲を示す。

図７において、本実施形態のマスク部材５０の周長は、排気弁ＥＸ２の弁頭１ｐの外周の９０度〜１８０を覆う長さに設定されている。また該マスク部材５０は、これの中心線（該マスク部材の２等分線）ｆが３００°〜６０°、時計で表せば１０時〜２時、の範囲内に位置するように配置されている。図７における符号ｍ１は最も短いマスク部材（周長９０°）を中心位置が時計回りで最も前進した位置（６０°（２時））に配置した場合を、符号ｍ２は最も長いマスク部材（周長１８０°）を最も前進した位置（６０°（２時））に配置した場合をそれぞれ示している。また符号ｍ１′は最も短いマスク部材（周長９０°）を中心位置が時計回りで最も後退した位置（３００°（１０時））に配置した場合を、符号ｍ２′は最も長いマスク部材（周長１８０°）を最も後退した位置（３００°（１０時））に配置した場合をそれぞれ示している。

図８は、上記周長９０°〜１８０°のマスク部材５０をより好適な位置に配置した場合を示しており、マスク部材５０はこれの中心位置が時計回りで３０°（１時）から６０°（２時）の範囲内に位置するように配置されている。

上記エンジン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から分岐して上記♯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。上記サージタンク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、上記エンジン１に接続された排気装置２は、各気筒毎の枝管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度の上記♯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。

上記第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。上記第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。そして上記第１，第２合流管２ｅ，２ｆはメイン管２ｇに合流している。

また上記第１，第２合流管２ｅ，２ｆには、上流側触媒２ｉ，２ｉが介設され、上記メイン管２ｇには下流側触媒２ｊが介設されている。さらにまた、上記メイン管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、上記♯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。これにより上記♯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ガスを上記排気ポート１ｅから燃焼室内に過給するようになっている。

なお、上記ブローダウン過給機構４０及びＥＧＲ開弁機構９は、上記♯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、上記♯１気筒と♯４気筒との関係について詳述する。

上記ブローダウン過給機構４０は、上記♯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。また上記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。

上記ＥＧＲ開弁機構９は、上記吸気カム軸５に形成されたＥＧＲカムノーズ５ａ′と、上記支持軸７ｄに軸支された排気ロッカカム１０と、上記排気ロッカ軸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、上記排気カム軸６に形成されたＥＧＲガイドカム６ｂ′とを備えている。

上記吸気カム軸５側のＥＧＲカムノーズ５ａ′は、上記吸気カム軸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、上記吸気側のベース円部５ｂと同一径のＥＧＲベース円部５ｂ′と、上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。

また上記排気カム軸６側のＥＧＲガイドカム６ｂ′は、上記排気カムノーズ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。

上記排気ロッカカム１０の上記支持軸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。上記ローラ１０ａは上記ＥＧＲカムノーズ５ａ′に転接しており、上記カム面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。

上記中間レバー１１は、概ね三角形状をなし、該三角形の頂角部が上記排気ロッカ軸８ｃにより揺動可能に支持されている。また上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。上記ローラ８ｂは上記ＥＧＲガイドカム６ｂ′に転接し、上記カム面１１ａには上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、上記中間レバー１１と２つの排気ロッカレバー８ａ，８ａとの間には、該中間レバー１１の揺動を該排気ロッカレバー８ａ，８ａに伝達するＥＧＲ開弁オン状態と上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。

上記切替機構１２は、図４に示すように、上記中間レバー１１の先端部及び排気ロッカレバー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。

また上記連結ピストン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。上記油圧室１２ｅには、上記ロッカ軸８ｃに形成された油圧通路８ｄを介して油圧を供給可能となっている。

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

さらにまた上記吸気カム軸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。また上記排気カム軸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。

上記♯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１１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と共に排気ロッカレバー８ａが揺動し、これにより排気弁EX１，２は図１１に示すリフトカーブＥＧＲに基づいてＥＧＲ開弁動作を行う。

なお、ＥＧＲガスの過給を行わない運転領域にあっては、上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レバー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。

本実施形態では、上記ＥＧＲ開弁機構９は、高回転領域においては、常時不作動とされる。そのためＥＧＲカム５ａ′によるバルブ加速度を高く設定することができ、ＥＧＲカム５ａ′は開度が狭いにもかかわらず比較的高いリフトが設定されており、短時間で多くのＥＧＲガスを導入できるようにしている。

♯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、該排気ブローダウン圧力波は、上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１１参照）。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上記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上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上記排気ポート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′にマスク部材５０が配設されており、かつ該マスク部材５０の高さ寸法がＥＧＲ開弁時のリフト量と略同一寸法に設定されているので、該マスク部材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（図５に斜線を施した部分）のみから気筒内に導入される。なお、図５は、排気弁がＥＧＲ開弁している状態を示している。

ここで図９は、マスク部材５０を、周長１８０°とし、その中心が３３０°に位置するように配置した場合に、ピストン１ｂが圧縮行程開始後のＢＴＤＣ１２０°に位置している状態で、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等温線で示す。また、図１０は、図９のシリンダボア１ａを高さ方向略中央にて気筒軸Ａと直交する平面で断面した時の温度分布を等温線で示す。

図９，図１０に示すように、シリンダボア１ａ内に、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と、新気に該第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。なお、第１温度層Ｔ１では、ｔ１の温度が最も高く、ｔ２，ｔ３と低くなっている。同様に第２温度層Ｔ２では、ｔ４の温度が最も高く、ｔ５，ｔ６と低くなっている。

上記温度の高い第１温度層Ｔ１は、図９で見ると排気ポート側から気筒内壁面に沿って下方に延び、さらにピストン頂面に拡がっている。また、図１０で見ると左右の排気弁開口１ｅ′，１ｅ′のクランク軸方向外側部分からシリンダボア１ａの内周面に沿うように拡がっている。このことから、本実施形態では、ＥＧＲガスは、左，右の排気弁開口１ｅ′と排気弁の弁頭１ｐとの隙間ｓのマスク部材５０が存在しない部分から主に気筒内壁面に沿って新気を押し出しつつ下降し、該内壁面に沿うように分布したものと考えられる。

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、上記加圧供給されたＥＧＲガス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５０を設けたので、この点からもＥＧＲガスと新気とが混合するのを抑制でき、上記第１温度層Ｔ１と第２温度層Ｔ２との温度差をより一層確実に得ることができる。

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。

また、上記マスク部材５０の周長及び配置位置を、マスク中心が３００°〜６０°の範囲内に位置するよう設定し、周長を上記マスク中心±９０°〜１８０°としたので、上記加圧供給されたＥＧＲガスが気筒内壁面１ａの、排気弁開口１ｅ′，１ｅ′の中心より排気ポート側の部分に沿って流すことができる。

またマスク部材５０の大部分を、排気弁開口直線ｅより反排気ポート側に位置するよう配置でき、かつマスク部材５０の２等分線（マスク部材の中心）ｆが排気弁開口直線ｅより排気ポート側の気筒内壁面部分と交差するように構成でき、これらの点からも再吸入されたＥＧＲガスを、気筒内壁面の排気ポート側部分に沿って流すことができ、これにより気筒内壁面側の新気を順次内壁付近から追い出してＥＧＲガスを気筒内壁に沿わせて存在させることができる。その結果、ＥＧＲガスの排気ポート側の内壁に沿った部分は新気と接触することがないので、新気との混合を確実に抑制して新気に多量のＥＧＲガスが含まれる温度の高い第１温度層Ｔ１を形成でき、第２温度層Ｔ２との温度差をより確実に得ることができる。

さらまた上記マスク部材５０の、排気弁軸方向における高さ寸法を、上記排気弁ＥＸのＥＧＲ開弁時のリフト量以下に設定したので、排気行程における排気の排出の抵抗になることなくＥＧＲガスがマスク側を通って気筒内に流入するを確実に防止でき、上述のようにＥＧＲガスを排気ポート側の気筒内壁面に沿って流入させることができる。なお、マスク部材の高さ寸法を大きくすれば、ＥＧＲガスの流れをより一層確実に規制できるが、排気排出抵抗が大きくなるおそれがある。

図１２，図１３は、本発明における第１温度層Ｔ１と第２温度層Ｔ２との温度差を確認するためのシミュレーション結果を示す図である。図１２（ｂ）は、周長１８０°のマスク部材５０をマスク中心が、図示左側３１０°，右側５０°に位置するように配置した本発明例を示す。図１２（ａ）は周長８０°のマスク部材５０′をマスク中心が２６５°，９５°に位置するよう配置した比較例１を示し、図１２（ｃ）は周長１８０°のマスク部材５０′′をマスク中心が２３０°，１３０°に位置するよう配置した比較例２を示す。

図１３は、第１温度層内の高温部分相当と第２温度層内の低温部分相当との温度差を示す。同図から判るように、比較例１，比較例２の場合、上記温度差は、それぞれ２０℃，２６℃であるのに対し、本発明例の場合は、上記温度差は３５℃となっている。

なお、本発明におけるマスク部材の周長，配置位置は、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、図７に記載のものに限定されることはない。

Claims (4)

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、燃焼室内に早期に噴射された燃料を、あるいは吸気ポート内で空気に混合されて燃焼室内に導入された燃料を、圧縮による温度上昇によって圧縮上死点付近で自己着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）４サイクルエンジンにおいて、
   上記第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、
   上記第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）を上記第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、
   上記燃焼室の天井壁側に形成され、上記第２気筒内に加圧供給された排気（ＥＧＲガス）が吸気ポートから流入する新気と混合するのを抑制するマスク部材とを備え、
   上記マスク部材は、円形をなす上記排気弁開口の周縁に沿う円弧状をなしており、上記加圧供給されたＥＧＲガスが気筒内壁面の、上記排気弁開口の中心より排気ポート側の部分に沿って流れるように、かつその大部分が上記排気弁開口の中心を通るクランク軸に平行な排気弁開口直線より反排気ポート側に位置するようにその周長及び配置位置が設定されており、
   上記第２気筒内において、新気に多量の上記ＥＧＲガスを含む温度の高い第１温度層が、排気弁開口のクランク軸方向両側部分においてシリンダボアの内周面に沿うように形成され、新気に上記第１温度層より少量のＥＧＲガスを含み、該第１温度層より温度の低い第２温度層が上記両第１温度層の間に位置するように形成される
   ことを特徴とするＨＣＣＩ４サイクルエンジン。
2. 請求項１において、上記マスク部材は、上記排気弁開口の中心を通る上記円弧状の２等分線が上記排気弁開口直線より吸気ポート側の気筒内壁面部分と交差するようその周長及び配置位置が設定されていることを特徴とするＨＣＣＩ４サイクルエンジン。
3. 請求項１又は２において、上記マスク部材は、排気弁開口の最も吸気ポート側に位置する部分を０°として時計回りに見たとき、マスク中心が３００°〜６０°の範囲内に位置するよう配置され、上記マスク中心±９０°〜１８０°の周長を有することを特徴とするＨＣＣＩ４サイクルエンジン。
4. 請求項１ないし３の何れかにおいて、上記マスク部材の、排気弁軸方向における高さ寸法は、上記排気弁の再開時のリフト量以下に設定されていることを特徴とするＨＣＣＩ４サイクルエンジン。

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