JP6095423B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、吸気弁を介して燃焼室に吸気される新気に主燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、
排気弁を介して排気ポートに排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして前記燃焼室に再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンに関する。

熱効率の向上及び低ＮＯｘ化等を目的としてＥＧＲ手段を備えた従来のエンジンとして、特許文献１には、排気路と吸気路とを接続するＥＧＲガス流路を介して排気路から吸気路に排ガスを再循環させる所謂外部ＥＧＲ手段を備えたエンジンが開示されている。また、この外部ＥＧＲ手段を備えたエンジンは、ＥＧＲガス流路を通流する排ガス（本願において、燃焼室に再循環される排ガスを「ＥＧＲガス」と呼ぶ場合がある。）に燃料ガスを添加することで、ＥＧＲ率を高くした場合でも、燃焼室におけるＥＧＲガス中での火炎伝播を良好なものに維持して、安定した燃焼状態を維持することが可能であるとされている。
また、特許文献２には、同じく外部ＥＧＲ手段を備えたエンジンであって、吸気路においてＥＧＲガスを含む新気に水素を添加するものが開示されている。そして、このように構成されたエンジンについても、ＥＧＲ率を高くした場合でも燃焼室における燃焼性を向上させて、安定した燃焼状態を維持することが可能であるとされている。
一方、特許文献３には、吸気行程で排気弁を開弁状態として排気ポートの排ガスの一部をＥＧＲガスとして、排気ポートから燃焼室に吸い戻す内部ＥＧＲ手段を備えたエンジンが開示されている。

特開２００５−２８２５６６号公報 特開２０１１−１９６３６７号公報 特開２００５−３３０８４３号公報

特許文献１に開示の技術は、ＥＧＲガス流路を通流するＥＧＲガスに燃料ガスを添加するにあたり、ＥＧＲガス流路におけるＥＧＲガスの流れ状態が、排気路側から吸気路側に向けて一方向にＥＧＲガスが流れる比較的単調なものであるため、そのまま燃料ガスを供給しても燃料の濃淡が比較的大きく残ってしまい、燃焼安定性の悪化又はノッキングの発生などが懸念される。そして、このような濃淡を解消するために、ＥＧＲガスと燃料ガスとの混合を促進する混合促進部が設けられており、装置の構成が繁雑となるという問題がある。
また、特許文献２に開示の技術では、吸気路においてＥＧＲガスが供給された新気に水素を添加するため、新気においてＥＧＲガスの濃淡分布に合わせて水素を供給することは困難である。よって、例えば新気においてＥＧＲガスが薄い部分に水素が多く供給される場合があり、このような場合には、その部分での燃焼速度が過剰に高くなって、ノッキング等が発生するなどの問題が生じる。
また、特許文献３のように内部ＥＧＲ手段を備えたエンジンが知られているが、このような内部ＥＧＲ手段を備えたエンジンでは、ＥＧＲ率を高めた場合でも、安定した燃焼状態を維持するための技術は何ら提案されていなかった。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、合理的な構成で、更なる熱効率の向上及び低ＮＯｘ化等の目的でＥＧＲ率を高くした場合でも、安定した燃焼状態を維持することができるエンジンを提供することを目的とする。

この目的を達成するための本発明に係るエンジンは、
吸気弁を介して燃焼室に吸気される新気に主燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、
排気弁を介して排気ポートに排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして前記燃焼室に再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンであって、
前記ＥＧＲ手段が、吸気行程で前記排気弁を開弁状態とすることで、前記排気ポートから前記燃焼室に前記ＥＧＲガスを吸い戻す内部ＥＧＲを行う手段であり、
前記燃焼室に吸気される吸気量に対する前記ＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を高める場合に、安定した燃焼状態を維持すべく、副燃料及び前記混合気の燃焼を活性化させる燃焼活性化物質の少なくとも一方からなる燃焼制御物質を前記排気ポートに供給する燃焼制御物質供給手段を備えた点にある。

上記エンジンの第１特徴構成によれば、ＥＧＲ手段が、排気ポートに排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室に吸い戻す内部ＥＧＲを行う手段とされるので、外部ＥＧＲを行う場合のように排気ポートと吸気ポートとを接続するＥＧＲガス流路を設ける必要がなく簡素な構成とすることができる。
また、このような内部ＥＧＲでは、燃焼室から排気ポートへ排出された排ガスの一部が、流れ方向を逆転させた上で、ＥＧＲガスとして排気弁を通じて燃焼室に吸い戻されることになるので、当該吸い戻されたＥＧＲガスには、比較的強い乱流が生じることになる。
よって、燃焼制御物質供給手段により、排気ポートにおいて燃焼室に吸い戻されるＥＧＲガスに燃焼制御物質を供給するので、このＥＧＲガスに生じる乱流によって、燃焼制御物質とＥＧＲガスとの混合が促進される。これにより、燃焼室におけるＥＧＲガス中の火炎伝播を燃焼制御物質の添加により良好なものに維持しながら、当該ＥＧＲガス中の燃焼制御物質の濃淡分布による燃焼安定性の悪化又はノッキングの発生などの問題を回避することができる。
従って、本発明により、合理的な構成で、更なる熱効率の向上及び低ＮＯｘ化等の目的でＥＧＲ率を高くした場合でも、安定した燃焼状態を維持することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記燃焼制御物質供給手段が、前記副燃料を前記燃焼制御物質として前記排気ポートに供給する手段であると共に、当該副燃料が、前記主燃料に対して自着火温度が低い又は燃焼速度が速い燃料である点にある。

上記エンジンの第２特徴構成によれば、主燃料よりも自着火温度が低い副燃料を排気ポートから燃焼室に吸い戻されるＥＧＲガスに供給することで、燃焼室において、ＥＧＲガス中で副燃料を確実に着火させることができるので、ＥＧＲガス中の火炎伝播を安定且つ良好なものに維持できる。
また、主燃料よりも燃焼速度が速い副燃料を排気ポートから燃焼室に吸い戻されるＥＧＲガスに供給することで、ＥＧＲガス中で副燃料を迅速に燃焼させることができるので、ＥＧＲガス中の火炎伝播を安定且つ良好なものに維持できる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成の何れかに加えて、
前記燃焼制御物質供給手段が、排気行程と吸気行程との間の上死点付近の時期に、前記燃焼制御物質を前記排気ポートに供給する点にある。

上記エンジンの第３特徴構成によれば、燃焼室から流出する排ガスの排気ポートにおける流速が比較的遅くなっている時期に燃焼制御物質を排気ポートに供給することができるので、排気ポートに供給された燃焼制御物質が排ガスの流れにより排気ポートの下流側に流されてしまって燃焼室に吸い戻されることなく外部に排気されてしまうことを防止することができる。
また、排気行程の上死点付近の時期に燃焼制御物質をＥＧＲガスに供給するので、例えば、吸気行程の下死点前に燃焼制御物質をＥＧＲガスに供給する場合と比べて、燃焼制御物質がＥＧＲガスに供給された時から、ＥＧＲガスが燃焼室に吸い戻されて燃焼室において燃焼する時までの時間を長くすることができる。よって、その時間において燃焼制御物質とＥＧＲガスとの混合を促進することができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第１乃至第３特徴構成の何れかに加えて、
前記ＥＧＲ手段が、吸気行程における前記吸気弁の開弁時期を上死点よりも遅角化した時期に設定すると共に、排気行程における前記排気弁の閉弁時期を上死点よりも遅角化した時期に設定する形態で、前記内部ＥＧＲを行う点にある。

上記エンジンの第４特徴構成によれば、吸気弁の開弁時期までは吸気ポートから新気が燃焼室に吸入されず、開弁状態となっている排気弁を介して排気ポートから排ガスのみが燃焼室に吸入されるため、排気ポートからより速い流速でＥＧＲガスを燃焼室に吸い戻すことができる。これにより、ＥＧＲガスと燃焼制御物質との混合をさらに促進することができる。
また、吸気行程において、燃焼室には、排気ポートから副燃料が供給されたＥＧＲガスが吸入された後に、吸気ポートから混合気が吸入されることになる。よって、次の圧縮行程において、燃焼室には、上部に混合気が多く存在し、下部に副燃料が供給されたＥＧＲガスが多く存在するというような成層状態が形成されることとなる。よって、次の燃焼行程において、燃焼室の上部に存在する混合気が、点火プラグにより安定して点火し燃焼することになり、その安定した燃焼により燃焼室の下部に存在する副燃料が多くのＥＧＲガス中で安定して燃焼することになる。

エンジンの概略構成図 吸気弁、排気弁及び燃焼制御物質供給手段の開閉状態を示す図 排気行程の終期における燃焼室及び吸排気ポートの状態を示す図 排気行程の上死点における燃焼室及び吸排気ポートの状態を示す図 吸気行程の初期において排気弁が開弁状態である時の燃焼室及び吸排気ポートの状態を示す図 吸気行程の初期において排気弁が閉弁状態である時の燃焼室及び吸排気ポートの状態を示す図

本発明に係るエンジンの実施形態について、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、エンジン１００はシリンダ３内に往復摺動自在に嵌合されたピストン４、このピストン４の往復運動を回転運動に変換するクランク軸６及び連結棒７、ピストン４の上面とシリンダ３の内面との間に区画形成される燃焼室１０、燃焼室１０に吸気弁１を介して接続される吸気路１３、燃焼室１０に排気弁２を介して接続される排気路１４等によって構成される。吸気路１３は、吸気ポート１３ａと吸気管１３ｂとで構成され、排気路１４は、排気ポート１４ａと排気管１４ｂとで構成されている。このような構成は通常のエンジンと変わるところがない。

また、エンジン１００は、吸気弁１を介して燃焼室１０に吸気される新気としての空気Ａに主燃料Ｇを供給して混合気Ｉを形成するミキサー８（燃料供給手段の一例）と、排気弁２を介して排気ポート１４ａに排出された排ガスＥの一部をＥＧＲガスＥ’として燃焼室１０に再循環させるＥＧＲ手段Ｘとを備えている。

ミキサー８は、吸気管１３ｂに設けられ、吸気管１３ｂを流通する空気Ａに、主燃料Ｇを供給して混合気Ｉを形成する。主燃料Ｇは、例えば、天然ガス系都市ガスとされる。ミキサー８から空気Ａへの主燃料Ｇの供給量及び供給時期は、主燃料流路９に設けられた主燃料調整弁９ａによって制御されている。この主燃料調整弁９ａは、エンジン・コントロール・ユニット４０（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）によって制御されている。

ＥＣＵ４０は、排気路１４に設けられた図示しない酸素センサの出力等に基づいて、吸気路１３に形成される混合気Ｉの空燃比が所望の目標空燃比に調整されるように、主燃料調整弁９ａの開度を制御する。このようにして形成された混合気Ｉは、吸気弁１が開状態となる吸気行程において燃焼室１０に吸気される。なお、ＥＣＵ４０は、クランク角センサ１５によって検出されたクランク軸６のクランク角が入力され、この入力されたクランク角に基づいて、主燃料調整弁９ａの開閉動作や、後述する燃焼制御物質を排気ポート１４ａに供給する燃焼制御物質供給手段の動作を制御することを可能に構成されている。

そして、吸気行程において燃焼室１０に吸気された混合気Ｉを、吸気弁１及び排気弁２の両方が閉状態となる圧縮行程において、ピストン４の上昇により圧縮し、その圧縮された混合気Ｉを、点火プラグ１２による火花点火により着火させ、膨張行程において、混合気Ｉの燃焼によりピストン４を押し下げて軸出力を得るように構成されている。上記膨張行程の後に、排気弁２が開状態となる排気行程において、燃焼後の排ガスＥが、燃焼室１０から排気路１４に排出される。

吸気弁１及び排気弁２の開閉動作は動弁機構２０によって行われている。この動弁機構２０は、カム式又は電磁アクチュエータ式又は油圧アクチュエータ式等の公知のものとされ、図示しないカムの回転又はアクチュエータの周期的な作動の位相を変更するなどして、吸気弁１及び排気弁２の開閉時期を調整可能に構成され、吸気弁１及び排気弁２の開閉時期を調整可能としている。

また、ＥＣＵ４０は、動弁機構２０を制御して、吸気行程で排気弁２を開弁状態とすることで、排気ポート１４ａから燃焼室１０にＥＧＲガスＥ’を吸い戻す内部ＥＧＲを行うＥＧＲ手段Ｘとして機能するように構成されている。
具体的には、ＥＧＲ手段Ｘは、排気行程において開弁状態とした排気弁２を、次の吸気
行程における上死点よりも遅角化した時期に閉弁させるように動弁機構２０を制御する。これにより、吸気行程において上死点から排気弁２が閉弁されるまでの間は、排気ポート１４ａに排出された排ガスＥの一部がＥＧＲガスＥ’として再度燃焼室１０に吸い戻されることになる。
さらに、ＥＧＲ手段Ｘは、吸気行程において吸気弁１を上死点よりも遅角化した時期で
あって上記排気弁２の閉弁時期より前の時期に開弁させるように動弁機構２０を制御する。これにより、吸気行程の初期には、排気弁２のみが開弁状態となって、排気ポート１４ａから比較的高い流速でＥＧＲガスＥ’が燃焼室１０に吸入される。

排気ポート１４ａには、副燃料Ｎを、燃焼室１０における混合気Ｉの燃焼状態をコントロールするための燃焼制御物質として、排気ポート１４ａに供給するインジェクタ１６（燃焼制御物質供給手段の一例）が設けられている。
即ち、このインジェクタ１６は、燃焼制御物質供給管１１を介して供給された副燃料Ｎを、排気ポート１４ａにおいて内部ＥＧＲにより燃焼室１０に吸い戻されるＥＧＲガスＥ’に供給するものである。
そして、このように、内部ＥＧＲを採用しながら、排気ポート１４ａにインジェクタ１６を設けることで、合理的な構成で、更なる熱効率の向上及び低ＮＯｘ化等の目的でＥＧＲ率を高くした場合でも、安定した燃焼状態を維持することができる。その詳細構成について、以下に説明を加える。

インジェクタ１６は、排気行程と吸気行程との間の上死点付近の所望の時期に副燃料Ｎを排気ポート１４ａに噴射する。ここで、排気行程の上死点付近の時期とは、３０°ＢＴＤＣ（上死点前）から６０°ＡＴＤＣ（上死点後）の間とされる。
この副燃料Ｎの噴射期間を上死点付近の適切な期間に設定することで、燃焼室１０に吸入されるＥＧＲガスＥ’が存在する領域に副燃料Ｎを適切に噴射して、当該噴射した副燃料ＮをＥＧＲガスＥ’と共に燃焼室１０に吸入させることができる。

副燃料Ｎは、ミキサー８で供給される主燃料Ｇよりも自着火温度が低い又は燃焼速度が速い燃料とされる。例えば、主燃料Ｇがメタンを主成分とする天然ガス系都市ガスの場合には、ガソリン、軽油、メタン、プロパン、エタン、ブタンなどの炭化水素系燃料、ジメチルエーテルなどのアルコール系燃料などを副燃料Ｎとして使用することができる。また、副燃料Ｎの供給量は、ＥＧＲ量に応じて決定されるが、主燃料Ｇの供給量に比べて少ない量とされる。

次に、本実施形態のエンジン１００における吸気弁１および排気弁２の開閉状態、及び、ＥＣＵ４０によるインジェクタ１６の噴射状態の一例を、図２から図６に基づいて説明する。
図２に示すように、排気弁２は、排気行程における下死点付近に開弁され、次の吸気行程における初期である６０°ＡＴＤＣ（図２のクランク角Ｃ２）付近で閉弁される。一方、吸気弁１は、吸気行程における排気弁２が閉弁される直前の時期である６０°ＡＴＤＣ（図２のクランク角Ｃ２）に開弁され、下死点付近で閉弁される。
また、インジェクタ１６は、排気行程における１０°ＢＴＤＣ（図２におけるクランク角Ｃ１）から６０°ＡＴＤＣまでの期間に副燃料Ｎを噴射する。

上記のように吸気弁１及び排気弁２の開閉タイミング並びにインジェクタ１６の副燃料Ｎの噴射タイミングを設定することで、吸気ポート１３ａ、排気ポート１４ａ、及び燃焼室１０における吸排気状態は、以下のようになる。
即ち、図３に示すように、インジェクタ１６は、燃焼室１０から排気ポート１４ａへ向かう排ガスＥの流速が比較的遅くなっている排気行程における上死点直前の時期に、排気ポート１４ａへ副燃料Ｎの供給を開始する。

この状態から、図４に示すようにピストン４が上昇する間の期間にも、インジェクタ１６は副燃料Ｎを供給する。すると、排気ポート１４ａの排気弁２に近い領域に、燃焼室１０から排出された排ガスＥの一部と副燃料Ｎとの混合が促進された混合ガスが形成されることになり、それが後述するＥＧＲガスＥ’として燃焼室１０に吸い戻されることになる。

次に、排気行程の上死点を通過すると、図５に示すように、排気ポート１４ａでは、吸気行程におけるピストン４の下降に伴って燃焼室１０からの吸引力が作用することでＥＧＲガスＥ’の流れが逆転し、排気ポート１４ａから燃焼室１０に向けて副燃料Ｎが供給されたＥＧＲガスＥ’が燃焼室１０に吸い戻されることになる。
また、この吸気行程の初期には、吸気弁１が閉弁状態とされているので、ＥＧＲガスＥ’のみが比較的早い流速で燃焼室１０に吸入される状態となる。
そして、上記のように副燃料Ｎが供給されたＥＧＲガスＥ’を逆流させ高速で燃焼室１０に吸い戻すことで、ＥＧＲガスＥ’と副燃料Ｎとの混合が促進される。

次に、吸気弁１が開弁され、副燃料Ｎの供給が停止され、その後排気弁２が閉弁し、更にピストン４が下降することで、図６に示すように、ＥＧＲガスＥ’が吸入された燃焼室１０に対して吸気ポート１３ａから混合気Ｉが吸入される。
このとき、排気ポート１４ａから吸入されたＥＧＲガスＥ’は、吸気ポート１３ａから混合気Ｉが吸気される前に燃焼室１０に吸入されているので、ＥＧＲガスＥ’の多くが燃焼室１０において混合気Ｉよりも下部に存在する状態となる。

この状態で圧縮行程を経て燃焼行程が行われると、燃焼室１０の上部に存在する混合気Ｉが、点火プラグ１２により良好に点火されて燃焼し、その安定した燃焼により燃焼室１０の下部に存在するＥＧＲガスＥ’中で副燃料Ｎが安定して燃焼することになる。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態においては、内部ＥＧＲとして、排気弁２を上死点よりも遅く閉じる方式を採用したが、これに限らず、排気弁２を排気行程の完了とともに閉弁し、吸気行程中に再び開弁する排気弁再啓開方式の内部ＥＧＲとしてもよい。この場合、吸気行程の後期で排気弁２を開弁してもよい。そして、副燃料Ｎの噴射期間は、吸気行程における上死点付近の時期又は吸気行程において再び排気弁を開弁する直前の時期、もしくは、それらの間の時期としてもよい。

（２）上記実施形態においては、内部ＥＧＲにおいて、吸気行程において吸気弁１を開弁する時期を上死点より遅角化した時期としたが、これに限らず、吸気弁１を開弁する時期を上死点付近とする通常の開弁時期としてもよい。

（３）上記実施形態においては、インジェクタ１６からの副燃料Ｎの噴射期間を、上死点を挟む上死点付近の期間に設定したが、これに限らず、副燃料Ｎの噴射期間を、上死点前において排ガスＥが燃焼室１０から排出される期間のみ、又は、内部ＥＧＲにより排ガスＥが燃焼室１０に吸い戻される上死点後の期間のみに設定してもよい。

（４）上記実施形態においては、エンジン１００は、燃焼室１０に点火プラグ１２が設けられた火花点火エンジンとしたが、これに限らず、圧縮着火式エンジンなどの別の着火形式のエンジンとしてもよい。

（５）上記実施形態においては、エンジン１００の吸気路１３に設けられたミキサー８によって混合気Ｉを生成し、その混合気Ｉを燃焼室１０に導入したが、これに限らず、空気Ａを燃焼室１０に導入し、燃焼室１０に主燃料Ｇを噴射可能な燃料噴射弁を設けてもよい。

（６）上記実施形態においては、主燃料Ｇを都市ガスとしたが、これに限らず、主燃料Ｇを、軽油、ガソリン、メタン、プロパン等の別の燃料としてもよい。

（７）上記実施形態においては、排気ポート１４ａに燃焼制御物質として副燃料Ｎを供給したが、これに限らず、水素、オゾン、活性種などのような混合気Ｉの燃焼を活性化させる燃焼活性化物質を燃焼制御物質として供給してもよい。また、副燃料及び燃焼活性化物質の両方を同時又は互いに異なる時期に排気ポート１４ａに供給しても構わない。

（８）上記実施形態においては、副燃料Ｎは、主燃料Ｇよりも自着火温度が低い、若しくは、燃焼速度が速い燃料としたが、これに限らず、副燃料Ｎと主燃料Ｇとが同じ燃料であってもよい。

以上説明したように、合理的な構成で、更なる熱効率の向上及び低ＮＯｘ化等の目的でＥＧＲ率を高くした場合でも、安定した燃焼状態を維持することができるエンジンを提供することができる。

１ 吸気弁
２ 排気弁
８ ミキサー（燃料供給手段）
１０ 燃焼室
１４ａ 排気ポート
１６ インジェクタ（燃焼制御物質供給手段）
Ａ 空気（新気）
Ｅ 排ガス
Ｅ’ ＥＧＲガス
Ｇ 主燃料
Ｉ 混合気
Ｎ 副燃料
Ｘ ＥＧＲ手段

Claims (4)

1. 吸気弁を介して燃焼室に吸気される新気に主燃料を供給して混合気を形成する燃料供給手段と、
   排気弁を介して排気ポートに排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして前記燃焼室に再循環させるＥＧＲ手段とを備えたエンジンであって、
   前記ＥＧＲ手段が、吸気行程で前記排気弁を開弁状態とすることで、前記排気ポートから前記燃焼室に前記ＥＧＲガスを吸い戻す内部ＥＧＲを行う手段であり、
   前記燃焼室に吸気される吸気量に対する前記ＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を高める場合に、安定した燃焼状態を維持すべく、副燃料及び前記混合気の燃焼を活性化させる燃焼活性化物質の少なくとも一方からなる燃焼制御物質を前記排気ポートに供給する燃焼制御物質供給手段を備えたエンジン。
2. 前記燃焼制御物質供給手段が、前記副燃料を前記燃焼制御物質として前記排気ポートに供給する手段であると共に、当該副燃料が、前記主燃料に対して自着火温度が低い又は燃焼速度が速い燃料である請求項１に記載のエンジン。
3. 前記燃焼制御物質供給手段が、排気行程と吸気行程との間の上死点付近の時期に、前記燃焼制御物質を前記排気ポートに供給する請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記ＥＧＲ手段が、吸気行程における前記吸気弁の開弁時期を上死点よりも遅角化した時期に設定すると共に、排気行程における前記排気弁の閉弁時期を上死点よりも遅角化した時期に設定する形態で、前記内部ＥＧＲを行う請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。

Images