JP7495197B2 - 副燃焼室付き内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、ＥＧＲ装置を備えた副燃焼室付き内燃機関に関するものである。

ガソリン機関やガス機関のような内燃機関において、シリンダヘッドに副燃焼室（副室）を設けることが提案されている。副燃焼室は点火プラグの代わりに設けられており、副燃焼室で発生した火炎を主燃焼室に噴出させて主燃料に着火させる。副燃焼室で生成した火炎は燃料の着火性に優れているため、混合気の燃料がリーン気味であっても確実に燃焼させることができる利点がある。そこで、排気ガスクリーン化促進の有望な技術として注目されている。

副燃焼室内の混合気への着火手段には、吸気ポートから噴出した混合気を副燃焼室に取り込んで、副燃焼室の内部に配置した点火プラグで着火する方式（例えば特許文献１）と、副燃焼室に専用の経路から燃料を取り込んで、この燃料に点火プラグで着火する方式（例えば特許文献２）とがあり、前者の方式は構造が簡単である。

特開２００７－１６２６１８号公報 特開２００７－１９８１４０号公報

さて、内燃機関では、排気ガスの浄化促進や燃費向上等のために排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ装置を備えていることが多い。そこで、副燃焼室付きの内燃機関にＥＧＲ装置を設けると、リーン気味でも燃焼性を向上できるという副燃焼室の利点との相乗効果により、排気ガスの浄化促進や燃費向上等の効果を助長できると云える。

この場合、副燃焼室における前者の方式を採用すると、構造を簡単化しつつ、副燃焼室の効果とＥＧＲ装置の効果とを享受できて好適であるが、ＥＧＲガスが添加されることによって燃料濃度が低くなるため、副燃焼室内での点火プラグによる着火安定性が低下し、失火を招来することが懸念される。

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。

本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドに、主燃焼室と略同心に配置されて前記主燃焼室に向けて突出した副燃焼室と、前記副燃焼室を挟んで配置された一対の吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気バルブ及び前記排気ポートを開閉する排気バルブとを備え、
前記副燃焼室には複数個の噴孔が周方向に離れて開口しており、前記噴孔から副燃焼室に流入した混合気に点火プラグで点火することによって火炎が前記各噴孔から噴出するようになっている一方、
前記一対の吸気ポートには、それぞれ燃料噴射用のインジェクタが配置されている」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記シリンダヘッドのうち前記各吸気ポートの群の下方の部位に、クランク軸線方向に長いＥＧＲガス分配通路がウォータジャケットに沿うように形成されており、
前記一対の吸気ポートのうち一方の吸気ポートに、前記ＥＧＲガス分配通路に連通したＥＧＲガス噴出口と流量制御バルブとを設けており、吸気行程の少なくとも前半段階で前記流量制御バルブが閉じた状態になるように制御される」
という特徴を保持している。
本願発明は、請求項２の構成も含んでいる。すなわち、請求項２の発明は、請求項１において、
「前記流量制御バルブは前記インジェクタよりも下流側に配置されている」
という構成になっている。

本願発明において、流量制御バルブは、吸気行程のできるだけ初期において閉じた状態になっているのが好ましい。また、流量制御バルブは、吸気ポートを横切る姿勢の回転軸にフラップを設けたバタフライ方式や、吸気ポートの内面の一部に弁板の一端をヒンジ連結したフラップ方式、或いはロータリー式など、様々な構造を採用できる。

本願発明では、吸気行程の少なくも前半において副燃焼室がＥＧＲガスを含まない混合気に晒されるため、副燃焼室の内部に、ＥＧＲガスが混入していない混合気を取り込むことができる。これにより、副燃焼室での燃料の濃度を必要な値（例えばストイキ値）に保持して、副燃焼室からの火炎の噴出を確実化できる。

また、２つの吸気ポートから混合気が噴出する場合は、混合気は全体として直進し、シリンダボアの内面にガイドされてタンブル流が生成されるが、本願発明では、流量制御バルブが閉じた状態では、混合気は片方の吸気ポートのみから主燃焼室（気筒）に向かうため、混合気はシリンダボアの軸心回りに流れてスワール流を生成する傾向が高くなる。更に述べると、第１吸気ポートの流量制御バルブが閉じた状態では第２吸気ポートにおける混合気の流速は速くなっているため、強いスワール流を生成できる。

そして、流量制御バルブが開いて一方の吸気ポートからも混合気が主燃焼室に流入すると、両吸気ポートから噴出した混合気は全体として直進し、シリンダボアの内部でタンブル流を生成していく。このように、シリンダボアの内部にスワール流とタンブル流との合成流が生成されるため、新気（混合気）とＥＧＲガスとの混合性を向上できる。従って、吸気行程時にタイミングをずらしてＥＧＲガスをシリンダボアに導入するものでありながら、ＥＧＲガスと新気（及び燃料）との均一な混合状態を確保できる。その結果、ＥＧＲガスを限度一杯まで導入できる。

このように、副燃焼室へのＥＧＲガスの流入を阻止できることと、新気とＥＧＲガスとの混合性を確保できることにより、簡単な構造の副燃焼室でありながら、ＥＧＲガスを限度まで導入しつつリーンバーン化を促進して、燃費の向上効果や排気ガスの浄化促進効果を享受できる。

実施形態をクランク軸線方向から見た縦断面図で、図２のI-I 視断面図である。 要部のレイアウトを示す模式的な平面図である。 図２のIII-III 視方向から見た縦断面図である。 図２の IV-IV視方向から見た縦断面図である。 流量制御バルブの開閉タイミングを示す図である。

(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線方向及びシリンダボア軸線方向と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置されている側を前として、トランスミッションが配置される側を後ろとしている。

本実施形態は自動車用内燃機関に適用しており、内燃機関は、例えば図１に示すように、基本的要素としてシリンダブロック１とその上面にガスケット２を介して固定されたシリンダヘッド３とを有しており、シリンダブロック１には、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア４が形成されている。

他方、シリンダヘッド３には、シリンダボア４に向いた截頭円錐状の凹所５が形成されており、シリンダブロック１のシリンダボア４とシリンダヘッド３の凹所５とによって主燃焼室が形成されている。当然ながら、シリンダボア４にはピストン６が摺動自在に嵌まっている。ピストン６の頂面には凹部７が形成されている。

シリンダヘッド３には、各凹所５に対応して、一対ずつの吸気ポート８，９と一対ずつの排気ポート１０とが、クランク軸線を挟んだ左右両側に振り分けて形成されている。一対の吸気ポート８，９について区別する必要がある場合、一方を第１吸気ポート８と呼び、他方の吸気ポート９と呼ぶこととする。吸気ポート８，９の終端は吸気バルブ１１で開閉され、排気ポート１０の始端は排気バルブ１２で開閉される。各バルブ１１，１２は、ばね１３によって閉じ方向に付勢されている。

各吸気ポート８，９は全長に亙って独立しており、それぞれシリンダヘッド３の吸気側面３ａに開口している。シリンダヘッド３の吸気側面３ａには、サージタンク（図示せず）を備えた吸気マニホールド１４が固定されている。吸気マニホールド１４には、一対の吸気ポート８，９に対応した枝管１５が複数本形成されている。また、吸気マニホールド１４には、各吸気ポート８，９に対応して、燃料を吸気ポート８，９に噴射するインジェクタ１６が装着されている。なお、インジェクタ１６はシリンダヘッド３に装着してもよい。

他方、各対の排気ポート１０は、シリンダヘッド３に形成された集合通路（図示せず）に集まっており、集合通路には１つの排気出口穴（図示せず）が形成されて、排気出口穴はシリンダヘッド３の排気側面に開口している。

シリンダヘッド３のうち各凹所５の中央部に対応した各部位に、それぞれシリンダボア４と同心のプラグホール１７が形成されており、各プラグホール１７に、凹所５及びシリンダボア４に向けて下向きに突出した副燃焼室１８と、電極を副燃焼室１８の内部に露出させた点火プラグ１９とが配置されている。

本実施形態では、副燃焼室１８は、基本的には筒状の形態で底部（下端）は半球状に形成されており、筒部に、シリンダボア軸心に対して交叉した斜め下向き方向に開口した複数（例えば３～８個）の噴孔２０が形成されて。また、副燃焼室１８の上端には外向きのフランジ２１が形成されており、フランジ２１が点火プラグ１９によってシリンダヘッド３に押さえ保持されている。

副燃焼室１８はシリンダヘッド３に一体に設けることも可能であるし、シリンダヘッド３とは別体に構成して、シリンダヘッド３に、溶接やろう付け、或いは強制嵌合などで固定することも可能である。図１，３，４において符号２２で示すのは、冷却水が流れるウォータジャケットである。

(2).ＥＧＲ通路・流量制御機構
図１，３，４に示すように、シリンダヘッド３のうち各吸気ポート８，９の下方の部位に、クランク軸線方向に長いＥＧＲガス分配通路２４がウォータジャケット２２に沿った状態に形成されており、ＥＧＲガス分配通路２４から、各対の吸気ポート８，９のうち第１吸気ポート８に連通したＥＧＲガス噴出穴２５が分岐している。ＥＧＲガス分配通路２４は、吸気ポート８，９の終端の側に寄せて形成されている。図示していないが、ＥＧＲガス分配通路２４の一端（始端）には、ＥＧＲガスの添加量を調節するためのＥＧＲバルブが接続されている。

一対の吸気ポート８，９は、ＥＧＲガス噴出穴２５が開口した第１吸気ポート８と、ＥＧＲガス噴出穴２５が開口していない第２吸気ポート９とに分かれているが、前後の吸気ポート８，９のうちいずれか一方を第１吸気ポート８と成してもよい。複数対の吸気ポート８，９に関して、第１吸気ポート８と第２吸気ポート９との前後の並びは必ずしも同じでなくてもよい。

図３に示すように、ＥＧＲガス噴出穴２５が開口していない第２吸気ポート９は、単に新気が通過するだけのノーマルな構造であるが、図４に示すように、ＥＧＲガス噴出穴２５が開口している第１吸気ポート８には、第１吸気ポート８を全閉状態と全開状態とに切り換える流量制御バルブ２６が配置されている。流量制御バルブ２６は、インジェクタ１６よりも下流側でＥＧＲ噴出穴２５よりも上流側に配置されている。

本実施形態の流量制御バルブ２６は、回転軸２７に円形の弁板２８を取り付けたバタフライ弁方式になっており、回転軸２７を上下方向に長い姿勢に設定しており、第１吸気ポート８の下方部に配置した電動モータ２９に回転軸２７が連結されている。シリンダヘッド３には、上下の軸受けスリーブ３０を装着している。なお、電動モータ２９はＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）で制御される。

弁板２８は円形であるため、第１吸気ポート８（及び第２吸気ポート９）の断面形状も円形になっている。但し、第１吸気ポート８の断面形状及び弁板２８の形状は円形には限らず、四角形や楕円形などの非円形に形成することも可能である。

また、本実施形態では、各気筒に対応した各流量制御バルブ２６が個別に駆動されるが、１本の回転軸２７を各吸気ポート８，９を貫通するように配置し（図１，３，４の紙面と直交する姿勢に配置し）、回転軸２７に、位相を変えて弁板２８を取り付けることも可能である。この場合は、第２吸気ポート９にも回転軸２７が露出するが、回転軸２７は細いので吸気の流れ抵抗にはならない。また、共通の回転軸２７は、電動モータで駆動してよいし、吸気用カム軸又はクランク軸とチェーンやギアで連動させてもよい。

(3).まとめ
以上の構成において、例えば、スロットルバルブが全開していないパーシャル運転領域において、図５に示すように、吸気行程のうち初期寄りの段階で流量制御バルブ２６を全閉して、混合気を第２吸気ポート９のみから主燃焼室４，５に噴出させる。すると、第２吸気ポート９が、主燃焼室（４，５）の軸心を通る左右長手の横長中心線Ｏに対して前又は後ろにずれていることにより、混合気はシリンダボア４の周方向に向かうように方向付けられて、図２に点線矢印３１で示すように、主燃焼室４，５にスワール流（旋回流）が生成される。

更に、第２吸気ポート９から噴出した混合気は副燃焼室１８に噴孔２０から流入するが、混合気が周方向に向かう旋回流（スワール流）となることにより、混合気は副燃焼室１８の外周を舐めるように流れる傾向を呈するため、副燃焼室１８の噴孔２０に流入しやすくなる。従って、副燃焼室１８には、混合気が複数の噴孔２０から流入しやすくなっている。これにより、混合気が第２吸気ポート９のみから噴出している段階で、ＥＧＲガスが混入していない混合気で副燃焼室１８の内部を満たすことができる。

図２では、４つの噴孔２０を表示しているが、例えば６個程度の噴孔２０を空けておくと、副燃焼室１８への混合気の流入性は格段に向上すると云える。噴孔２０の個数や配置位置は、実験や解析により、最適値を探ることができる。

第１吸気ポート８を全閉させて第２吸気ポート９のみから混合気を噴出させる状態では、第２吸気ポート９の流速は速くなっているため、強いスワール流が生成されると共に、副燃焼室１８への混合気の流入性も高くなっている。従って、吸気行程の初期の段階で、副燃焼室１８の内部に、ＥＧＲガスが含まれていない混合気を速やかに充満させることができる。

第２吸気ポート９から噴出した混合気が副燃焼室１８に充満したら、第１吸気ポート８の流量制御バルブ２６を全開させる。すると、両吸気ポート８，９から噴出した混合気は、横長中心線Ｏの方向に流れる傾向を呈して、図３に点線矢印３２で示すように、混合気は、ピストン６の下降動に連動してシリンダボア４の内面に沿って下方に向かうように方向付けられて、タンブル流が生成される。

従って、主燃焼室４，５には、スワール流とタンブル流とが合成された複雑な流れが生成するが、ＥＧＲガスはこの複雑な流れに呑まれるため、高い攪拌作用を受けて新気との混合性が格段に向上する。なお、ＥＧＲガスを含む混合気とＥＧＲガスが含まれない混合気とが層状に分布し、これらは圧縮行程における潰し作用によって均一に混合する。

また、流量制御バルブ２６が全開すると、流量制御バルブ２６が全閉していた状態に比べて吸気ポート８，９の全体としての混合気の流速は半減するため、ＥＧＲガスが含まれている混合気が副燃焼室１８に当たる速度は低下することになり、従って、ＥＧＲガスが副燃焼室１８に流入することはなくて、副燃焼室１８の内部はＥＧＲガスが含まれていない混合気で満たされたままに保持される。

更に述べると、流量制御バルブ２６はピストン６がある程度下降した段階で開くため、第１吸気ポート８から噴出した混合気は、ピストン６による吸引作用を受けて副燃焼室１８の下方に向かう傾向を呈することになり、この面でも、ＥＧＲガスが含まれた混合気が副燃焼室１８に流入することを防止できる。

また、ＥＧＲガスは新気に比べて圧力が高くて軽いため、スワール流に乗ってシリンダボア４の内周側に流れる傾向を呈する。この点からも、ＥＧＲガスが副燃焼室１８に流入することを防止できる。

特に、実施形態のように、噴孔２０を斜め下向きに開口させると、第１吸気ポート８から噴出した斜め下向きの混合気が噴孔２０に入りにくくなるため、副燃焼室１８のＥＧＲガスの流入阻止機能を向上できて好適である。

そして、副燃焼室１８の内部はＥＧＲガスが混入していない混合気で満たされているため、点火プラグ１９によって確実に着火・燃焼して、噴孔２０から主燃焼室に向けて強い火炎を噴出させることができる。これにより、ＥＧＲガスを取り込みつつ、リーンバーン下での燃焼を安定化・確実化できる。

上記したように、ピストン６が下降している段階で流量制御バルブ２６が開くことにより、ＥＧＲガスを含む混合気は下方に流れる傾向を呈するため、副燃焼室１８が配置されているエリアはＥＧＲガスが存在しないか又は存在してもその割合は少なくなっている。従って、副燃焼室１８の内外に混合気の流通があっても、副燃焼室１８の内部は、ＥＧＲガスが含まれていない状態に保持できる。

なお、図５では、流量制御バルブ２６を全閉させて第２吸気ポート９のみから混合気が噴出する状態で、燃料をストイキ値よりも若干リッチ気味に設定することも可能である。また、流量制御バルブ２６を全閉しておくタイミングは任意に選択できるが、新気とＥＧＲガスとの混合性を確保する点からは、吸気行程の前半段階で全閉及び全閉させるのが好ましい。

吸気バルブ１１，１２がＶＶＴ装置（可変バルブタイミング装置）によって進角又は遅角制御される場合は、流量制御バルブ２６の開閉タイミングをＶＶＴ装置に連動させるのが好ましい。また、流量制御バルブ２６は、全閉姿勢を常態として、吸気行程でのみ全開させることも可能であるし、全開姿勢を常態として、吸気行程でのみ全閉させることも可能である。

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。例えば、実施形態ではＥＧＲガス分配通路は吸気ポートの下方に形成したが、ＥＧＲガス分配通路を吸気ポートの上方に形成することも可能である。また、流量制御バルブはＥＧＲガス噴出穴の下流側に配置することも可能である。更に、流量制御バルブは吸気マニホールドに配置することも可能である。

本願発明は、ＥＧＲ装置及び副燃焼室を備えた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
３ シリンダヘッド
４ 主燃焼室を構成するシリンダボア
５ 主燃焼室を構成する凹所
８ 第１吸気ポート
９ 第２吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１８ 副燃焼室
１９ 点火プラグ
２０ 噴孔
２２ ウォータジャケット
２４ ＥＧＲガス分配通路
２５ ＥＧＲガス噴出穴
２６ 流量制御バルブ

Claims (2)

1. シリンダヘッドに、主燃焼室と略同心に配置されて前記主燃焼室に向けて突出した副燃焼室と、前記副燃焼室を挟んで配置された一対の吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気バルブ及び前記排気ポートを開閉する排気バルブとを備え、
   前記副燃焼室には複数個の噴孔が周方向に離れて開口しており、前記噴孔から副燃焼室に流入した混合気に点火プラグで点火することによって火炎が前記各噴孔から噴出するようになっている一方、
   前記一対の吸気ポートには、それぞれ燃料噴射用のインジェクタが配置されている構成であって、
   前記シリンダヘッドのうち前記各吸気ポートの群の下方の部位に、クランク軸線方向に長いＥＧＲガス分配通路がウォータジャケットに沿うように形成されており、
   前記一対の吸気ポートのうち一方の吸気ポートに、前記ＥＧＲガス分配通路に連通したＥＧＲガス噴出口と流量制御バルブとを設けており、吸気行程の少なくとも前半段階で前記流量制御バルブが閉じた状態になるように制御される、
   副燃焼室付き内燃機関。
2. 前記流量制御バルブは、前記インジェクタよりも下流側に配置されている、
   請求項１に記載した副燃焼室付き内燃機関。

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