JPH05280356A

JPH05280356A - エンジンの吸排気装置

Info

Publication number: JPH05280356A
Application number: JP4073808A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Nakatani; 茂樹中谷; Masanari Fukuma; 真生福馬
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-10-26

Abstract

(57)【要約】【目的】排気抵抗の増加、熱損失の増加、ＨＣ排出量
の増加等を招くことなく、ＥＧＲガスを燃焼室内に好ま
しく分布させることができ、着火性を確保しつつエミッ
ション性能を高めることができるエンジンの吸排気装置
を提供する。【構成】吸気２弁・排気２弁式のエンジンＣＥにおい
て、スワール流れ方向下流側の第１吸気ポート３がスワ
ールポートとされ、第１吸気ポート３にＥＧＲポート１
２が接続されている。また、スワール流れ方向下流側に
配置された第２排気弁８が、吸気行程吸気下死点以前に
所定期間だけ小さく開かれ、第２排気ポート１０から流
入するＥＧＲガスによってもスワールが生成される。そ
して、両スワールが相まって燃焼室５の周縁部全周にわ
たるスワール流れが形成され、これによって周縁部全周
にわたるＥＧＲガス層が形成され、着火性を確保しつつ
エミッション性能と燃費性能とが高められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの吸排気装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車用エンジンに対して大気汚
染物質の排出量の低減が求められている。そして、とく
にＮＯx排出量の低減が求められているが、混合気の燃
焼温度を低下させればＮＯx排出量を低減することがで
きるので、一般に、エンジンには、燃焼室から排出され
た排気ガスの一部を燃焼室内に還流させることによって
混合気の燃焼温度を低下させる排気ガス還流手段いわゆ
るＥＧＲ手段が設けられる。

【０００３】具体的には、例えば、吸気弁によって開閉
される吸気ポートと、排気弁によって開閉される排気ポ
ートとが設けられたエンジンにおいて、吸気行程終期に
排気弁を若干開くことによって、排気ポート内の排気ガ
スの一部を燃焼室内に還流させるようにしたＥＧＲ手段
が提案されている。しかしながら、このような従来のＥ
ＧＲ手段においては、排気ポートから燃焼室内に還流し
た排気ガス(ＥＧＲガス)が、燃焼室の中心部付近すなわ
ち点火プラグまわりに多く分布され、混合気の着火性を
低下させるといった問題がある。これを改善するため、
吸気行程終了直前から直後にかけて短期間だけ排気弁を
若干開かせるＥＧＲ手段を設ける一方、排気ポート近傍
において燃焼室天井部(シリンダヘッド)等にＥＧＲガス
の流れを円周方向に整流する隆起部ないしシュラウドを
形成したエンジンが提案されている(例えば、実開平１
−１３１８２７号公報参照)。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに燃焼室天井部に隆起部ないしシュラウドを形成する
と、排気抵抗が増加してエンジン出力の低下を招くとい
った問題がある。また、燃焼室表面積が増加するので、
熱損失が増加して燃費性能の低下を招くとともに、排気
ガス中のＨＣ(炭化水素)濃度の増加を招くといった問題
がある。また、実開平１−１３１８２７号公報に開示さ
れた従来のエンジンにおいては、全負荷時には慣性過給
効果により吸気行程終期に燃焼室内の混合気の圧力が、
排気ポート内の排気ガスの圧力より高くなることがあ
り、燃焼室内へのＥＧＲガスの供給が不十分となり、Ｎ
Ｏx発生量を有効に低減することができないといった問
題があり、さらには燃焼室内の混合気が排気ポートに排
出されるおそれすらあるといった問題がある。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたものであって、排気抵抗の増加、熱損失の
増加あるいはＨＣ排出量の増加などといった不具合を招
くことなく、ＥＧＲガスを燃焼室内に好ましく分布させ
ることができ、着火性を高く保持して混合気の燃焼性を
高めつつ、ＮＯxその他の大気汚染物質の排出量を低減
することができるエンジンの吸排気装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するた
め、第１の発明は、吸気弁によって開閉される吸気ポー
トと、排気弁によって開閉される排気ポートとが設けら
れたエンジンの吸排気装置において、下流端が吸気ポー
ト内に開口するＥＧＲポートと、吸気行程において吸気
弁が閉じられる前に所定の期間だけ排気弁を小さく開か
せる吸気行程排気弁開閉手段とが設けられていることを
特徴とするエンジンの吸排気装置を提供する。

【０００７】第２の発明は、第１の発明にかかるエンジ
ンの吸排気装置において、吸気弁によって開閉される吸
気ポートが同一気筒に２組設けられていて、その一方の
吸気ポートが燃焼室内にスワールを生成するスワールポ
ートとされ、かつスワール流れ方向にみてスワールを生
成する方の吸気ポートがもう一方の吸気ポートの下流側
に配置され、スワールを生成する方の吸気ポートのスワ
ール流れ方向下流側の部分にＥＧＲポートの下流端が開
口していることを特徴とするエンジンの吸排気装置を提
供する。

【０００８】第３の発明は、第１または第２の発明にか
かるエンジンの吸排気装置において、排気弁によって開
閉される排気ポートが同一気筒に２組設けられていて、
スワール流れ方向にみて下流側に位置する方の排気ポー
トの排気弁に対して吸気行程排気弁開閉手段が設けられ
ていることを特徴とするエンジンの吸排気装置を提供す
る。

【０００９】第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれ
か１つにかかるエンジンの吸排気装置において、吸気行
程排気弁開閉手段が、吸気下死点前に排気弁を開閉させ
るようになっていることを特徴とするエンジンの吸排気
装置を提供する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
図１と図２とに示すように、エンジンＣＥの各気筒にお
いては、第１,第２吸気弁１,２が開かれたときに、夫々
第１,第２吸気ポート３,４から燃焼室５内に混合気が吸
入され、この混合気がピストン(図示せず)によって圧縮
された後、点火プラグ６で着火・燃焼させられ、燃焼ガ
ス(排気ガス)は、第１,第２排気弁７,８が開かれたとき
に、夫々第１,第２排気ポート９,１０を介して排気通路
(図示せず)に排出されるようになっている。なお、第
１,第２吸気弁１,２および第１,第２排気弁７,８は、後
で説明するように、動弁機構Ｂによって、クランク軸
(図示せず)と同期して、図３に示すような特性で開閉さ
れるようになっている。

【００１１】第１吸気ポート３は、燃焼室５内にスワー
ルすなわち燃焼室５の円周方向の渦流を生成させるため
に、燃焼室５の円周方向に開口するように形成されてい
る(タンゼンシャルポート)。すなわち、第１吸気ポート
３はスワールポートとされている。なお、第１吸気ポー
ト３をヘリカル状に形成してスワールを生成させるよう
にしてもよい。第１吸気ポート３によって、燃焼室５内
には矢印Ｘ₁で示すようなスワールが生成される。ここ
で、第１,第２吸気ポート３,４は、スワール流れ方向
(矢印Ｘ₁方向)にみて、第１吸気ポート３が第２吸気ポ
ート４の下流側に位置するように配置されている。ま
た、第１,第２排気ポート９,１０は、スワール流れ方向
にみて、第１排気ポート９が第２排気ポート１０の上流
側に位置するように配置されている。

【００１２】そして、第１吸気ポート３には、排気通路
内の排気ガスの一部を燃焼室５内へ還流させるＥＧＲポ
ート１２の下流端が開口している。ここで、ＥＧＲポー
ト１２の下流端は、第１吸気ポート３のスワール流れ方
向下流側の壁面に開口している。このため、ＥＧＲポー
ト１２から第１吸気ポート３内に流入したＥＧＲガス
は、燃焼室５に流入後は燃焼室周縁部近傍に集中して分
布し、燃焼室中心部近傍にはほとんど分布しない。

【００１３】第２吸気ポート４には、エンジンＣＥの運
転状態に応じて開閉される開閉弁１３が介設されてい
る。この開閉弁１３は、エンジンＣＥの運転状態が、所
定の低負荷領域にあるときには閉じられ、このとき燃焼
室５内へは第１吸気ポート３のみから吸気が供給され、
燃焼室５内には強いスワールが生成され、混合気が層状
化され着火性・燃焼性が高められる。また、エンジンＣ
Ｅの運転状態が、所定の中・高負荷領域にあるときには
開閉弁１３が開かれ、このとき第１,第２吸気ポート３,
４から燃焼室５内に十分に吸気が供給され、吸気充填効
率が高められ、エンジン出力が高められる。

【００１４】ところで、エンジンＣＥのシリンダヘッド
Ｈ内には、第１,第２吸気弁１,２および第１,第２排気
弁７,８を所定のタイミングで開閉させる動弁機構Ｂが
設けられているが、以下第２排気弁８を例にとって、動
弁機構Ｂを説明する。第２排気弁８のバルブステム１６
の上端部は、ＨＬＡ１７を介して、排気側カムシャフト
１８に装着された第１カム１９および第２カム２０と係
合しており、第１カム１９または第２カム２０のノーズ
部(突出部)がＨＬＡ１７に当接したときには、バルブス
テム１６が下向きに押圧され、これに伴って第２排気弁
８が開かれるようになっている。そして、第２排気弁８
はバルブステム１６の上端部に取り付けられたコッタ２
１とシリンダヘッドＨとの間に介設されたリターンスプ
リング２２によって常時上向きに付勢され、第１カム１
９または第２カム２０のノーズ部がＨＬＡ１７と当接し
なくなったときには、リターンスプリング２２の付勢力
によって第２排気弁８が閉じられるようになっている。
なお、動弁機構Ｂないし第２カム２０は、請求項１,３,
４に記載された「吸気行程排気弁開閉手段」に相当する。

【００１５】第２排気弁８は、排気行程においては第１
カム１９によって図３中の曲線Ｇ₁で示すような特性な
いしタイミングで開閉される。すなわち、排気行程にお
いては第２排気弁８が大きく開かれて、燃焼室５内の燃
焼ガスが排気通路に排出される。さらに、第２排気弁８
は、吸気行程において、第２カム２０によって、図３中
の曲線Ｇ₃で示すように、吸気下死点ＢＤＣ₂のやや手前
から吸気下死点ＢＤＣ₂に至るまでの短い期間だけ小さ
く開かれる。このため、吸気行程後期には、第２排気ポ
ート１０内の排気ガスの一部が燃焼室５内に還流し、こ
の排気ガスもＥＧＲガスとなる。この第２排気ポート１
０から還流したＥＧＲガスは、燃焼室５内に、矢印Ｘ₂
で示すようなスワールを生成させ、このスワール(ＥＧ
Ｒガス)は燃焼室周縁部に沿って流れ、第２吸気ポート
４の燃焼室５への開口部付近を経て、第１吸気ポート３
の燃焼室５への開口部付近に至る。したがって、燃焼室
５内には、第１吸気ポート３によって生成されるスワー
ル(矢印Ｘ₁)と第２排気ポート１０から流入するＥＧＲ
ガスによって生成されるスワール(矢印Ｘ₂)とが共存
し、これらが相まって燃焼室５内を一周するスワール流
が形成される。したがって、燃焼室周縁部付近には全周
にわたってＥＧＲガス層が形成される。

【００１６】なお、第１排気弁７の動弁機構も、基本的
には、第２排気弁８の動弁機構と同様の構成となってい
るが、第１排気弁７に対しては第２カムは設けられてお
らず、したがって第１排気弁７は排気行程においてのみ
図３中の曲線Ｇ₁で示すような特性ないしタイミングで
開閉されることになる。また、第１,第２吸気弁１,２の
動弁機構も、基本的には第２排気弁８の動弁機構と同様
の構成となっているが、カムは夫々１つしか設けられて
おらず、第１,第２吸気弁１,２は吸気行程においてのみ
図３中の曲線Ｇ₂で示すような特性ないしタイミングで
開閉される。

【００１７】かかるエンジンＣＥおいては、前記したと
おり、ＥＧＲポート１２を介して燃焼室５内に供給され
たＥＧＲガスと、第２排気ポート１０から燃焼室５内に
流入したＥＧＲガスとが、燃焼室周縁部付近に集中して
分布し、周縁部付近にＥＧＲガス層が形成される。した
がって、点火プラグ６まわりには比較的リッチな混合気
が形成されるので、混合気の着火性・燃焼性を高く保持
しつつ、ＥＧＲガス量を増やすことができる。つまり、
着火性・燃焼性の向上とＮＯx発生量の大幅な低減とを
両立させることができ、かつ燃費性能を高めることがで
きる。さらに、クエンチゾーンである燃焼室周縁部の混
合気がＥＧＲガスで置換されるので、ＨＣの排出量を低
減することができる。

【００１８】また、一般に燃焼室周縁部ではノッキング
が起こりやすいが、燃焼室周縁部にＥＧＲガス層が形成
され自発火が抑制されるので、ノッキングの発生が防止
される。吸気２弁・排気２弁型のエンジンでは、一般
に、燃焼室周縁部近傍の両吸気ポート３,４間の領域Ａ
にノッキングが生じやすいといった問題があるが、本案
によれば領域ＡにもＥＧＲガス層が形成されるので、領
域Ａでのノッキングの発生ももちろん有効に防止され
る。なお、一般に領域Ａにノッキング(自発火)が起こり
やすいのは、およそ次のような理由によるものと考えら
れる。 (１)一般に、吸気ポート径が排気ポート径よりも大きい
ので、点火プラグが燃焼室中心よりやや排気側にオフセ
ットした位置に配置される。このため、吸気側の領域Ａ
では火炎の伝播距離が長くなり、ノッキングが生じやす
い。 (２)タンブルの減衰により、吸気側では混合気の乱れが
小さくなり、火炎の伝播速度が小さくなるので、ノッキ
ングが生じやすい。 (３)吸気ポートからの燃料の液だれによって、吸気側で
は混合気がリッチとなりノッキングが生じやすい。

【００１９】また、本案によれば、図３(曲線Ｇ₃)から
明らかなように、吸気行程において第２排気弁８を吸気
下死点ＢＤＣ₂で閉じるようにしている。このため、燃
焼室５内に慣性過給効果が及ぶ前に第２排気弁８が閉じ
られることになり、全負荷時においても、第２カム２０
によって第２排気弁８が開かれている期間内に、燃焼室
５内の混合気の圧力(以下、これをシリンダ内圧という)
が第２排気ポート１０内の排気ガスの圧力(以下、これ
を排気管内圧という)より高くなることがない。したが
って、ＥＧＲガスを燃焼室５内へ安定して供給すること
ができる。また、燃焼室５内の混合気が第２排気ポート
１０に排出されるおそれがない。

【００２０】図４に、全負荷時における排気管内圧(曲
線Ｈ₁)およびシリンダ内圧(曲線Ｈ₂)のクランク角に対
する特性を示す。図４から明らかなように、第２排気弁
８を吸気下死点ＢＤＣ₂以前に閉じる本案においては、
第２カム２０によって第２排気弁８が開かれているとき
に、シリンダ内圧が排気管内圧を上回ることはない。し
かしながら、例えば実開昭１−１３１８２７号公報に開
示された従来のエンジンのように、第２排気弁８を吸気
下死点ＢＤＣ₂後に閉じるようにすると(図３中の曲線Ｇ
₄)、全負荷時には図４中のＹで示す時点で、シリンダ内
圧が排気管内圧を上回ってしまい、燃焼室５内の混合気
が第２排気ポート１０に排出されることになる。

【００２１】つまり、軽負荷時においては、第２排気弁
８の開閉タイミングをＧ₃(本案)としても、あるいはＧ₄
(従来)としても大差はない。しかしながら、全負荷時に
おいては、Ｇ₃(本案)によれば安定したＥＧＲガスの供
給を行うことができるが、Ｇ₄(従来)によればＥＧＲガ
スを安定して供給することができない。ＥＧＲガスを供
給する目的は、基本的にはＮＯx発生量の低減である
が、ＮＯx発生量は、全負荷時にとくに多くなる。した
がって、本案によれば、全負荷時にも十分にＥＧＲガス
を供給することができるので、ＮＯx発生量を有効に低
減することができるが、従来のものでは、全負荷時のＥ
ＧＲガス供給が不十分となり、ＮＯx発生量を有効に低
減することができない。

【００２２】また、本案によれば、第２排気弁８のみを
吸気下死点ＢＤＣ₂以前に開閉するようにしているの
で、燃焼室５にシュラウドないしマスクを設ける必要が
ない。このため、排気抵抗の増加、燃焼室表面積の増加
による熱損失およびＨＣ排出量の増加等の不具合を招か
ない。

【００２３】

【発明の作用・効果】第１の発明によれば、吸気ポート
によって生成されるスワールと、排気ポートから燃焼室
に流入する排気ガスによって生成されるスワールとが相
まって、燃焼室全周にわたるスワール流れが形成され、
これに伴って燃焼室周縁部全周にわたってＥＧＲガス層
が形成されるとともに、燃焼室中心部すなわち点火プラ
グ付近には比較的リッチな混合気が形成される。このた
め、混合気の着火性・燃焼性を高く保持しつつ、ＥＧＲ
ガスを十分に供給することができ、ＮＯx発生量が低減
され、かつ燃費性能が高められる。また、燃焼室周縁部
の混合気がＥＧＲガスに置換されるので、ＨＣ発生量が
低減され、かつノッキングの発生が抑制される。

【００２４】第２の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、ＥＧＲポー
トが、スワール流れ方向下流側の吸気ポートに接続され
るので、ＥＧＲポートから燃焼室内に流入するＥＧＲガ
スが燃焼室周縁部近傍に集中して分布し、エミッション
性能、燃費性能、ノッキング防止効果が一層高められ
る。また、両吸気ポート間のノッキングを起こしやすい
領域の混合気がＥＧＲガスで置換されるので、ノッキン
グの発生が一層有効に防止される。

【００２５】第３の発明によれば、基本的には第１また
は第２の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、
スワール流れ方向下流側の排気弁に対して吸気行程排気
弁開閉手段が設けられるので、該排気弁が介設された排
気ポートから燃焼室内に流入するＥＧＲガスが燃焼室周
縁部近傍に集中して分布し、エミッション性能、燃費性
能、ノッキング防止効果が一層高められる。

【００２６】第４の発明によれば、基本的には第１〜第
３の発明のいずれか１つと同様の作用・効果が得られ
る。さらに、吸気行程において排気弁が吸気下死点以前
に開閉されるので、上記排気弁開弁中に、シリンダ内圧
が排気管内圧を上回らない。このため、全負荷時におい
てもＥＧＲガスの供給が安定化され、ＮＯx発生量が大
幅に低減される。また、全負荷時において、混合気の排
気ポートへの漏出が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるエンジンのシリンダヘッドの
下面平面説明図である。

【図２】本発明にかかるエンジンの吸排気弁まわりの
立面断面説明図である。

【図３】吸・排気弁の弁開度のクランク角に対する特
性を示す図である。

【図４】吸気管内圧およびシリンダ内圧のクランク角
に対する特性を示す図である。

【符号の説明】

ＣＥ…エンジンＢ…動弁機構１,２…第１,第２吸気弁３,４…第１,第２吸気ポート５…燃焼室７,８…第１,第２排気弁９,１０…第１,第２排気ポート１２…ＥＧＲポート２０…第２カム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁によって開閉される吸気ポート
と、排気弁によって開閉される排気ポートとが設けられ
たエンジンの吸排気装置において、下流端が吸気ポート内に開口するＥＧＲポートと、吸気
行程において吸気弁が閉じられる前に所定の期間だけ排
気弁を小さく開かせる吸気行程排気弁開閉手段とが設け
られていることを特徴とするエンジンの吸排気装置。
【請求項２】請求項１に記載されたエンジンの吸排気
装置において、吸気弁によって開閉される吸気ポートが同一気筒に２組
設けられていて、その一方の吸気ポートが燃焼室内にス
ワールを生成するスワールポートとされ、かつスワール
流れ方向にみてスワールを生成する方の吸気ポートがも
う一方の吸気ポートの下流側に配置され、スワールを生
成する方の吸気ポートのスワール流れ方向下流側の部分
にＥＧＲポートの下流端が開口していることを特徴とす
るエンジンの吸排気装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載されたエ
ンジンの吸排気装置において、排気弁によって開閉される排気ポートが同一気筒に２組
設けられていて、スワール流れ方向にみて下流側に位置
する方の排気ポートの排気弁に対して吸気行程排気弁開
閉手段が設けられていることを特徴とするエンジンの吸
排気装置。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１つに記
載されたエンジンの吸排気装置において、吸気行程排気弁開閉手段が、吸気下死点前に排気弁を開
閉させるようになっていることを特徴とするエンジンの
吸排気装置。