JP6258653B2

JP6258653B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP6258653B2
Application number: JP2013203225A
Authority: JP
Inventors: 公宏麻畠
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015068255A

Description

本願発明は内燃機関に関するものであり、特に、ＥＧＲ（排気ガス還流）機能を備えた内燃機関を好適な対象にしている。

排気ガスの浄化促進や燃費改善等のためにＥＧＲ装置は内燃機関に広く普及しており、様々な提案が成されている。例えば特許文献１には、多気筒内燃機関において、排気圧と吸気圧との差を大きくしてＥＧＲガスの導入性を良くするため、各気筒に共通した分配室を設けて、分配室から高圧のＥＧＲガスを各気筒の吸気系に供給することが開示されている。

他方、特許文献２には、空気（新気）とＥＧＲガスとの混合性を高めることを目的として、ＥＧＲ通路にチャンバを設けてこれに吸気通路のうちスロットルバルブより上流側の部分を接続し、チャンバにおいて新気とＥＧＲガスとを混合させることが開示されている。

ＥＧＲ装置では、ＥＧＲガスは排気マニホールドの終端又はそれより下流側から取り出していることが多いが、この場合は、排気ガスが気筒から間欠的に排出されることに起因して濃度にバラツキが発生しやすいため、ＥＧＲガスと新気との混合割合もバラツキが生じて、燃焼が不安定化するおそれがある。これに対して特許文献１，２はＥＧＲガスを排気ポートから取り出しているため、ＥＧＲガスの濃度のバラツキを抑制可能であると推測できる。

特開２０１２−０５２５５４号公報特開２０１２−２４６８６６号公報

さて、燃焼後の排気ガスは排気行程において排気ポートを介して気筒から排出されるが、気筒から排気ガスが完全に排出されるとは言い難く、僅かながら排気ガスが気筒内に残留する現象が見られる。そして、この残留した排気ガスは高温であるため、導入された新気の温度を高めて充填効率を悪化させたり、酸素不足による不完全燃焼によって燃費が悪化したり、燃焼温度を高めてノッキングの原因になったりするおそれもある。

しかるに、特許文献１，２にしても他の従来技術にしても気筒内に残留した排気ガスの問題はなんら考慮されておらず、このため、残留排気ガスに起因した上記充填効率の悪化等の問題は残ったままになっている。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「複数の気筒を有しており、各気筒ごとに、それぞれ排気弁で個別に開閉される２つの排気ポートを設けており、
１つの気筒に設けた２つの排気ポートのうち１つの排気ポートに、排気ガスが噴出可能な補助ポートを設けており、１つの気筒において吸気弁と排気弁とが開いたオーバーラップ期間中に前記補助ポートから気筒内に高圧の排気ガスを噴出可能であり、
かつ、各気筒に対応した枝管を有する排気マニホールドを有している構成であって、
前記補助ポートの群と排気マニホールドにおける枝管の群とは、１つの補助ポートと１つの枝管とが対になって連通路で接続されており、前記対の接続は、気筒の行程からみて、爆発行程にある気筒の枝管と次に爆発行程になる気筒の補助ポートとが接続される関係になっている」
というものである。

本願発明は、請求項２の発明も含んでいる。この発明は、請求項１において、
「前記補助ポートには開閉弁を設けており、前記オーバーラップ期間中に前記開閉弁が開くことで前記連通路から排気ガスが気筒に噴出し、前記オーバーラップ期間中でない排気行程において前記開閉弁が開くと排気ガス貯留室への排気ガスの取り込みが可能になっている」
とういうものである。

本願発明においては、気筒に再流入する排気ガスはできるだけ高圧であるのが好ましい。従って、排気ガスの取り入れ口は、排気マニホールドの枝管に設けている。また、補助ポートをノズルで構成することで、気筒内に噴出する排気ガスの流速を高めることも可能である。

本願発明では、気筒外に排出された排気ガスをオーバーラップ期間中に１つの排気ポートから気筒内に流入させることにより、燃焼したばかりのガスを主として他の排気ポートから掃気できるが、気筒内に再流入する排気ガスは温度が低下しているため、気筒内の温度を従来よりも低下させることができる。その結果、圧縮比のアップ及び吸気温度の低減並びに充填効率の向上を促進して出力の向上と燃費改善とに貢献できる。また、燃焼温度を下がるため、ノッキングの防止又は抑制にも貢献できる。

更に、再流入する排気ガスは１つの排気ポートから気筒内に噴出するため、流入した排気ガスによって気筒内にスワール流を生成させることができる。これにより、残留排気ガスの掃気をより確実化できると共に、新気（空気）と流入排気ガスとの混合性も高めて燃焼性を改善できる。そのため、燃費の向上に一層貢献している。

また、流入する排気ガスは温度が低下しており、単位体積当たりの質量は燃焼したての排気ガスよりも大きいため、残留排気ガスよりも再流入排気ガスの量が多くなるように制御することでＥＧＲガス効果も発揮できる。再流入排気ガスを冷却水等で冷却すると、ＥＧＲ機能が向上してより好適である。

実施形態の模式的な平面図である。（Ａ）は図１のIIA-IIA 視概略断面図、（Ｂ）は図１のIIB-IIB 視概略断面図である。（Ａ）は図２（Ａ）のIII-III 視断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面視での模式図である。各気筒の行程を表示したグラフである。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、内燃機関の概要を説明する。本実施形態の内燃機関は、基本的な構造は従来と同様であり、機関本体として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有している。シリンダブロック１は、ピストン３が摺動自在に嵌まった３つの気筒（シリンダボア）４，５，６を有しており、ピストン３の往復動は図示しないコンロッドを介してクランク軸の回転に変換される。敢えて述べるまでもないが、３つの気筒４〜６はクランク軸の中心線７の方向に並んでいる。

シリンダヘッド２には、各気筒４，５，６に向けて開口した台錘状の凹所８を形成しており、その中心部には点火プラグ９を露出させて、クランク軸の中心線５を挟んだ両側には、一対ずつの吸気ポート１０，１１と排気ポート１２，１３が開口している。各吸気ポート１０，１１は吸気弁１４で開閉され、各排気ポート１２，１３は吸気弁１５で開閉される。

各気筒４〜６に対応した一対の吸気ポート１０，１１は、それぞれ１つの吸気穴１６に集合している一方、シリンダヘッド２の一方の長手側面２ａには図示しない吸気マニホールドが固定されており、各吸気穴１６に吸気マニホールド（図示せず）の枝管が連通している。図示していないが、各気筒毎に燃料噴射ノズルを設けており、燃料は各吸気穴１６に噴射される。

各気筒４〜６に対応した一対の排気ポート１２，１３はそれぞれ排気穴１７に集合している一方、シリンダヘッド２における他方の長手側面２ｂには排気マニホールド１９が固定されており、各排気穴１７が排気マニホールド１６の各枝管１９，２０，２１に連通している。

そして、各気筒４〜６には排気ガスを還流させるようになっているが、その説明のため、便宜的に、３つの気筒４〜６を、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の１つの短手側面２２に近いものから順に第１気筒４，第２気筒５，第３気筒６と呼ぶと共に、各排気ポート１２，１３は、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の１つの短手側面２２に近いものを第１排気ポート１２、遠いものを第２排気ポート１３と呼ぶこととする。また、排気マニホールド１８の枝管１９〜２１についても、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の１つの短手側面２２に近いものから順に、第１枝管１９、第２枝管２０、第３枝管２１と呼ぶこととする。

図１に示しているように、排気マニホールド１８の第１枝管１９と第２気筒５の第１排気ポート１２とは第１還流路２４で接続され、排気マニホールド１８の第２枝管２０と第３気筒６の第１排気ポート１２とは第２還流路２５で接続され、排気マニホールド１８の第３枝管２１と第１気筒４の第２排気ポート１３とは第３還流路２６で接続されている。

つまり、気筒４，５，６と枝管１９〜２１に関して、隣り合った気筒４，５，６の枝管１９〜２１と１つの排気ポート１２，１３とが接続されて、両端に離れた枝管２１と１つの排気ポート１３とが接続されている。なお、排気ポート１２，１３に関しては、還流路２４，２５，２６は、第１排気ポート１２と第２排気ポート１３とのいずれに接続してもよい。

本実施形態では、各管路２４，２５，２６は排気ガス貯留室を兼用しているが、図２に一点鎖線で示すように、各還流路２４，２５，２６に、それら管路よりも大きい断面積の貯留用チャンバ２７を設けることも可能である。また、各還流路２４，２５，２６をシリンダヘッド２の内部を通る冷却水に晒すなどして、排気ガスを冷却するのが好ましい。還流路２４，２５，２６がシリンダヘッド２の外側に露出する場合は、露出した部分に水冷式等の排気ガスクーラ（ＥＧＲクーラ）を設けてもよい。

各還流路２４，２５，２６に枝管１９〜２１から排気ガスが取り込まれるが、排気ガス取り入れ口２８には、図２（Ａ）のように流入制御弁２９を設けている。本実施形態の流入制御弁２９は、ニードル式の弁体３０とこれを駆動するアクチユェータ３１とを有している。もとより、バタフライ弁方式など、各種の弁手段を採用できる。

各還流路２４，２５，２６の排出口に、図２（Ｂ）のように排出制御弁３２を設けている。排出制御弁３２は流入制御弁２９と同じ構造であり、ニードル式の弁体３３とこれを駆動するアクチユェータ３４とを有している。排出制御弁３２についても、バタフライ弁方式などの各種の弁手段を採用できる。また、各還流路２４，２５，２６の排出口には、請求項に記載した補助ポートして、排気ガスを気筒４，５，６に向けて噴出させるノズル３５を設けている（還流路２４，２５，２６の排出口を補助ポートと見ることも可能である。）。

さて、図４では、３つの気筒４，５，６における行程の関係を示している。すなわち、丸付き数字の１は圧縮行程、丸付き数字の２は膨張行程（爆発行程）、丸付き数字の３は排気行程、丸付き数字の４は吸気行程を示しており、内燃機関は４サイクル３気筒なので、各気筒の行程（位相）はクランク軸の回転角度で２４０度ずつずれている。

そこで、例えば、第１気筒４が排気行程のときに、第３枝管２１の流入制御弁２９を開いて排出制御弁３２は閉じることで、第１還流路２４に第３枝管２１から高圧の排気ガスを貯留し、第２気筒５がオーバーラップ期間中のときに、第１還流路２４の流入制御弁２９は閉じて排出制御弁３２を開くことで、高圧でしかも温度が低下した排気ガスを、第１排気ポート１２を介して第１還流路２４から第２気筒５に噴出させる。
従って、還流路２４，２５，２６は、爆発行程にある気筒の枝管と、次に爆発行程になる気筒の１つの排気ポートとを接続している。

すると、第１排気ポート１２は第２気筒５の軸心線３６及びクランク軸の中心線７と直交した横長中心線３７を挟んだ片側にずれているため、第２気筒５に流入した排気ガスは気筒４，５，６の内周に沿って流れる旋回流となり、第２気筒５の内部を流れていく。

これにより、第２気筒５の内部に強いスワール流３８を生成させて、空気と排気ガスとの混合性を高めることができると共に、燃焼したてで高温の排気ガスを主として第２排気ポート１３から強制的に排出することができる（ピストン３が上昇しているため、燃焼したての排気ガスは、ピストン３で上に押されると共にスワール流３８によって第２排気ポート１３に向けて押されることになり、主として第２排気ポート１３に排出される。）。その結果、充填効率と圧縮比とを高めて出力及び燃費の向上に貢献できる共に、燃焼温度の異常上昇を防止してノッキングの防止・抑制にも貢献できる。

第２気筒５が排気行程のときには、第２枝管２０の流入制御弁２９を開いて排出制御弁３２は閉じることで第２還流路２５に第１枝管１９からの排気ガスを貯留し、第３気筒６がオーバーラップ期間中のときに、第２還流路２５の流入制御弁２９は閉じて排出制御弁３２を開くことで、排気ガスを第２還流路２５から第３気筒６に噴出させる。

同様に、第３気筒６が排気行程のときには、第２枝管２０の流入制御弁２９を開いて排出制御弁３２は閉じることで第３還流路２６に第２枝管２０からの排気ガスを貯留し、第１気筒４がオーバーラップ期間中のときに、第３還流路２６の流入制御弁２９は閉じて排出制御弁３２を開くことで、排気ガスを第３還流路２６から第１気筒４に噴出させる。

上記のとおり、各流入制御弁２９と排出制御弁３２との開閉タイミングは決まっているので、排気ガスの還流手段を掃気手段としてのみ機能させる場合は、各流入制御弁２９と排出制御弁３２とはカム軸等に連動した機械的な駆動手段で開閉してもよい。

他方、ＥＧＲ装置として機能させる場合は、排出制御弁３２の開閉タイミングを制御することで、残留排気ガスの量より多い還流排気ガスを気筒４，５，６に供給することができる。この場合は、アクチユェータ３４は、モータや電磁ソレノイドのような外部から制御できるものを使用する必要がある。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。

本願発明は内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダブロック
２シリンダヘッド
３ピストン
４，５，６気筒（シリンダボア）
１０，１１吸気ポート
１２，１３排気ポート
１４吸気弁
１５排気弁
１７排気ポートが集合した排気穴
１８排気マニホールド
１９，２０，２１排気マニホールドの枝管
２４，２５，２６排気ガス貯留室を兼用する還流路
２８排気ガス取り入れ口
２９流入制御弁
３２排出制御弁
３５ノズル（補助ポート）
３８スワール流

Claims

複数の気筒を有しており、各気筒ごとに、それぞれ排気弁で個別に開閉される２つの排気ポートを設けており、
１つの気筒に設けた２つの排気ポートのうち１つの排気ポートに、排気ガスが噴出可能な補助ポートを設けており、１つの気筒において吸気弁と排気弁とが開いたオーバーラップ期間中に前記補助ポートから気筒内に高圧の排気ガスを噴出可能であり、
かつ、各気筒に対応した枝管を有する排気マニホールドを有している構成であって、
前記補助ポートの群と排気マニホールドにおける枝管の群とは、１つの補助ポートと１つの枝管とが対になって連通路で接続されており、前記対の接続は、気筒の行程からみて、爆発行程にある気筒の枝管と次に爆発行程になる気筒の補助ポートとが接続される関係になっている、
内燃機関。
前記補助ポートには開閉弁を設けており、前記オーバーラップ期間中に前記開閉弁が開くことで前記連通路から排気ガスが気筒に噴出し、前記オーバーラップ期間中でない排気行程において前記開閉弁が開くと排気ガス貯留室への排気ガスの取り込みが可能になっている、
請求項１に記載した内燃機関。