JP2000314321A - 排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents
排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関Info
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Abstract
点火内燃機関において、成層燃焼及び均質燃焼のいずれ
においてもNOx 発生量の低減された良好な燃焼を実現
することである。 【解決手段】 排気ガス再循環装置4は、機関排気系3
と機関吸気系2とを連通する第一排気ガス再循環経路A
及び第二排気ガス再循環経路Bを有し、第一排気ガス再
循環経路には冷却器4eが設けられ、筒内噴射式火花点
火内燃機関1aの成層燃焼時には、主に、第二排気ガス
再循環経路を使用して排気ガスを再循環させ、均質燃焼
時には、主に、第一排気ガス再循環経路を使用して排気
ガスを再循環させる。
Description
置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
射式火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴
射式火花点火内燃機関は、吸気ポート噴射式内燃機関の
ように噴射された燃料の一部が吸気ポートの壁面に付着
して気筒内へ供給されないことがなく、噴射された燃料
全てが確実に気筒内へ供給されるために、燃料噴射量を
機関運転状態に応じた必要最小限とすることができ、燃
費消費率の低減が可能となる。
は、一般的に、必要燃料量が比較的少ない機関低負荷時
には、圧縮行程で燃料を噴射して点火プラグ近傍だけに
可燃混合気を形成し、気筒内全体としてはリーンな混合
気を燃焼可能な成層燃焼を実施するようになっている。
一方、必要燃料量が比較的多い機関高負荷時には、吸気
行程で燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成し、高
出力が得られる均質燃焼を実施するようになっている。
ず、排気ガスの一部を気筒内へ再循環させることによ
り、排気ガスの主成分である不活性ガスの高い熱容量に
よって燃焼温度を低下させ、NOx 発生量の低減を可能
とする排気ガス再循環が一般的に行われている。
燃混合気を良好に着火燃焼させなければならず、そのた
めには、可燃混合気の温度が高い方が好ましい。それに
より、高温度の排気ガスを気筒内へ再循環させること
は、NOx 低減に加えて可燃混合気の温度を高めるのに
有効である。成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内
燃機関において、高温度の排気ガスを気筒内へ再循環さ
せるために、特開平10−274104号公報には、機
関排気系からの排気ガス再循環通路を機関吸気系におけ
るサージタンク下流側の各吸気ポートに接続することが
開示されている。
従来技術により、均質燃焼おいて、高温度の排気ガスを
気筒内へ再循環させると、気筒内の温度が上昇して吸気
充填効率が低下するために、機関出力が低下してしま
う。
装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、成
層燃焼及び均質燃焼のいずれにおいてもNOx 発生量の
低減された良好な燃焼を実現することである。
記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火
内燃機関は、成層燃焼と均質燃焼とを実施可能であり、
排気ガス再循環装置は、機関排気系と機関吸気系とを連
通する第一排気ガス再循環経路及び第二排気ガス再循環
経路を有し、前記第一排気ガス再循環経路には冷却器が
設けられ、前記成層燃焼時には、主に、前記第二排気ガ
ス再循環経路を使用して排気ガスを再循環させ、前記均
質燃焼時には、主に、前記第一排気ガス再循環経路を使
用して排気ガスを再循環させることを特徴とする。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項1に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、前記第二排気ガス再
循環経路は、前記機関吸気系におけるサージタンク下流
側の各吸気ポートに接続され、前記第一排気ガス再循環
経路は、前記吸気系における前記サージタンク又は前記
サージタンク上流側の吸気管に接続されていることを特
徴とする。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項2に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、前記第一排気ガス再
循環経路と前記第二排気ガス再循環経路は、前記機関排
気系へ異なる位置で接続され、前記第一排気ガス再循環
経路の前記機関排気系における接続位置は、前記第二排
気ガス再循環経路の前記機関排気系における接続位置よ
り下流側に位置していることを特徴とする。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項1に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、前記冷却器には気筒
内へ噴射される燃料が導かれ、前記冷却器において前記
第一排気ガス再循環経路を通過する排気ガスと前記燃料
との間で熱交換が実施されることを特徴とする。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項4に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、前記冷却器は、前記
排気ガスが通過する排気ガス通路と、前記排気ガス通路
と並列に延在する燃料蓄圧室とが設けられ、前記燃料蓄
圧室には、各気筒へ燃料を供給するために、前記燃料蓄
圧室の燃料上流側から燃料下流側へ並列配置された複数
の燃料通路が接続され、前記排気ガス通路の排気上流側
と前記燃料蓄圧室の燃料上流側とが隣接していることを
特徴とする。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項4に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、機関暖機中の第一所
定期間は前記第一排気ガス再循環経路を使用して排気ガ
スを再循環させることを特徴とする。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項6に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、前記機関暖機中の第
一所定期間を除く第二所定期間は前記第二排気ガス再循
環経路を使用して排気ガスを再循環させることを特徴と
する。
ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関
は、請求項7に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内
噴射式火花点火内燃機関において、前記第一所定期間及
び前記第二所定期間はそれぞれ不連続の期間であり、前
記機関暖機中には、前記第一排気ガス再循環経路と前記
第二排気ガス再循環経路とを交互に使用して排気ガスを
再循環させることを特徴とする。
循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形
態を示す概略平面図である。同図において、1は機関本
体、2は機関吸気系、3は機関排気系である。機関本体
1の各気筒1aは、気筒内へ直接的に燃料を噴射するた
めの燃料噴射弁(図示せず)を具備している。
は、燃料噴射量が多量となる機関高負荷時には、均質燃
焼を意図して燃料噴射弁から吸気行程において燃料が噴
射され、点火までの比較的長い時間で気筒内に均質混合
気を形成するようになっている。このような均質燃焼
は、高い機関出力を得るのに有利である。
時を除いては、成層燃焼を意図して燃料噴射弁から圧縮
行程後半において燃料が噴射される。こうして噴射され
た燃料は、ピストン頂面に形成されたキャビティ等を利
用して点火プラグ近傍へ偏向され、この間において気化
し、点火プラグ近傍だけに着火性の良好な可燃混合気を
形成するようになっている。このような成層燃焼は、気
筒内全体としてリーンな混合気を燃焼可能であるため
に、燃料消費率の低減に有利である。
排気ガス再循環装置4は、切換弁4aと、切換弁4aと
機関排気系3の排気集合部3a下流側とを接続する排気
側接続通路4bと、切換弁4aと機関吸気系2のサージ
タンク2a上流側の吸気管2bとを接続する吸気側第一
接続通路4cと、切換弁4aと機関吸気系2のサージタ
ンク2a下流側の各吸気ポート2cとを接続する吸気側
第二接続通路4dとを有している。吸気側第一接続通路
4cには冷却器4eが設けられている。
排気側接続通路4bに対して自由に選択した開度で連通
させることができ、また、吸気側第二接続通路dも同様
に排気側接続通路4に対して自由に選択した開度で連通
させることができる。こうして、吸気側第一接続通路4
cを介して、又は、吸気側第二接続通路4dを介して、
又は、吸気側第一接続通路4c及び吸気側第二接続通路
4dを介して、自由に選択した排気ガス量を各気筒1a
内へ再循環させることが可能となる。図2は、この排気
ガス再循環装置を概略的に示した系統図である。同図に
示すように、排気側接続通路4bと吸気側第一接続通路
4cとが第一排気ガス再循環経路Aを構成し、排気側接
続通路4bと吸気側第二接続通路4cとが第二排気ガス
再循環経路Bを構成する。
と均質燃焼とに係わらず、排気ガスの一部を気筒内へ再
循環させることにより、排気ガスの主成分である不活性
ガスの高い熱容量によって燃焼温度を低下させ、NOx
発生量が低減される。
可燃混合気の温度を高めて、可燃混合気を良好に着火燃
焼させることが好ましく、高温度の排気ガスを再循環さ
せることは、NOx 低減に加えて可燃混合気の温度を高
めるのに有効である。それにより、成層燃焼時には、主
に、第二排気ガス再循環経路Bを使用して排気ガスを再
循環させるようになっている。第二排気ガス再循環経路
Bを構成する吸気側第二接続通路4dは、図2に示すよ
うに、各気筒1a近傍に位置する吸気ポート2cに接続
されているために、再循環させる排気ガスをあまり温度
低下させることなく、各気筒1a内へ導入することが可
能となる。
ては、図1に示すように、吸気側第二接続通路4dの一
部分は、シリンダヘッド1b内に形成されてシリンダヘ
ッド1b内に位置する各吸気ポート2cの一部に接続さ
れているために、各気筒1aへほぼ直接的に排気ガスを
再循環させることができ、再循環させる排気ガスの温度
低下をさらに低減することができる。また、この吸気側
第二接続通路4dの一部分の回りの比較的厚いシリンダ
ヘッド1bの肉厚が、断熱層として機能するために、再
循環させる排気ガスの温度低下をさらに低減することが
できる。もちろん、吸気側第二接続通路4dをシリンダ
ヘッド1b外に位置する各吸気ポート2cの一部に接続
しても良いが、この場合には、図2に示すように、吸気
側第二接続通路4dには、断熱層4f等を設けることが
好ましい。
再循環させると、気筒内の温度が上昇して吸気充填効率
が低下し、機関出力低下がもたらされる。従って、本実
施形態において、均質燃焼時には、主に、冷却器4eが
設けられた第一排気ガス再循環経路Aを使用して排気ガ
スを再循環させるようになっている。第一排気ガス再循
環経路Aを構成する吸気側第一接続通路4cは、図2に
示すように、冷却器4eが設けられていることに加え
て、各気筒1aから比較的遠くに位置する吸気管2bに
接続されているために、再循環させる排気ガスを各気筒
1aへ導入するまでに大幅に温度低下させることができ
る。排気ガスは、多量の吸気で充填されたサージタンク
2aを通過することで、大きく温度低下するために、吸
気側第一接続通路4cをサージタンク2aへ直接的に接
続するようにしても良い。また、本実施形態の排気ガス
再循環装置4においては、第一排気ガス再循環経路Aに
冷却器4eが設けられ、冷却器4eの性能によっては排
気ガスを十分に冷却させることが可能であるために、第
一排気ガス再循環経路Aと第二排気ガス再循環経路Bと
を同一位置で機関吸気系2に接続するようにしても良
い。
4の第一排気ガス再循環経路Aに設けられた冷却器4e
は、機関冷却水を循環させるものでも良く、また、単に
放熱フィンを有するものでも良いが、特に、燃料との熱
交換を意図して、図4及び図4のP−P断面図である図
5に示すような構造を有している。本実施形態の冷却器
4eにおいて、41は排気ガスが矢印で示すように通過
する排気ガス通路であり、42は排気ガス通路41と並
列に延在する円筒状の燃料蓄圧室である。また、43は
冷却フィンである。燃料蓄圧室42の端面には、高圧ポ
ンプ(図示せず)下流側の高圧燃料管44が接続されて
いる。また、燃料蓄圧室42の側面には、各燃料噴射弁
へ燃料を供給するための並列配置された燃料通路45が
接続されている。また、燃料蓄圧室42の他方の端面に
は、安全弁46を介して燃料タンク(図示せず)へ通じ
る戻し管47が接続されており、この安全弁46は、燃
料蓄圧室42内が設定燃料圧力以上となる場合に開弁し
て、戻し管47によって燃料蓄圧室42内の燃料の一部
を燃料タンクへ戻し、燃料蓄圧室42内の燃料圧力が異
常に高まることを防止するためのものである。
ガスとが熱交換されるようになっていると、特に、第一
排気ガス再循環経路Aを使用して排気ガスを再循環させ
る均質燃焼時において、燃料噴射弁から各気筒内へ噴射
される燃料が加熱されて気化し易くなっており、早期に
気化した燃料によって点火までに十分に均質化した良好
な均質混合気を気筒内に形成することができる。
るために、高圧ポンプの下流側で実施しなければならな
い。それにより、機関排気系に熱交換器を設けると、熱
交換器と各気筒1aの吸気弁側に配置された燃料噴射弁
とを接続するための燃料配管が非常に長くなる。しかし
ながら、本実施形態のように、第一排気ガス再循環経路
Aの冷却器4eとして熱交換器を設けることで、熱交換
器と燃料噴射弁との間の燃料配管を短くすることがで
き、燃料噴射系の高い信頼性を保証することができる。
なく、単なる高圧燃料通路を形成するようにしても良い
が、本実施形態のように、燃料蓄圧室42を排気ガス通
路41と並列して延在させると共に、この排気ガス通路
41の排気上流側と燃料蓄圧室42の燃料上流側とを隣
接させることにより、燃料蓄圧室42の燃料上流側へ新
たに供給される低温の燃料ほど、排気上流側の高温度の
排気ガスと熱交換されるために、排気ガス通路41と並
列に延在している燃料蓄圧室42内の燃料をほぼ等しい
温度に昇温することができ、燃料蓄圧室42の燃料上流
側から燃料下流側へ並列配置された複数の燃料通路を介
して、ほぼ等しい温度の燃料を各燃料噴射弁へ供給する
ことができ、各気筒において均質混合気の燃料気化状態
をほぼ均等にすることができる。本実施形態の冷却器4
eにおいて、排気ガス通路41は直線的に形成されてい
るが、もちろん、燃料蓄圧室42回りを螺旋状に並列さ
せるようにしても良い。
て、始動直後の機関暖機中には、成層燃焼及び均質燃焼
に係わらず、燃料を加熱しないと、気筒内へ噴射された
燃料が点火までに十分に気化せず、未燃燃料の排出量が
増加することとなる。従って、本実施形態では、機関暖
機中の第一所定期間は第一排気ガス再循環経路Aを使用
して排気ガスを再循環させるようになっている。
期間としても良いが、特に、機関暖機中に成層燃焼が実
施される場合には、点火プラグ近傍に形成した可燃混合
気の温度を高めることも好ましいために、機関暖機中の
前半を第一所定期間とし、第一排気ガス再循環経路Aを
使用して排気ガスを再循環させ、気筒内へ噴射される燃
料を加熱し、機関暖機中の後半を第二所定期間として、
第二排気ガス再循環経路Bを使用して高温度を排気ガス
を再循環させるようにしても良い。
加熱して点火までに確実に気化させることにより未燃燃
料の排出量を低減することができる。本実施形態によう
に燃料蓄圧室42内の燃料を機関暖機中の前半で加熱す
れば、機関暖機中の後半において直ぐに燃料温度が外気
温度まで低下することはなく、機関暖機中の後半におい
ては、噴射された燃料の気化をある程度確保すると共
に、再循環させた高温度の排気ガスによって可燃混合気
の温度を高めることができ、良好な成層燃焼を実現する
ことができる。
えることも可能である。それにより、機関暖機中の前半
には、燃料の気化が多少不十分となり、燃料の一部は未
燃燃料として排出される可能性があるが、形成された可
燃混合気の温度は、再循環させた高温度の排気ガスによ
って高められ、良好な成層燃焼を実現することができ
る。機関暖機中の後半においては、前半において再循環
させた高温度の排気ガスによって、気筒内の温度が高め
られており、加熱により燃料を確実に気化させて可燃混
合気を形成し、この可燃混合気を比較的良好に燃焼させ
ることができる。
所定期間をそれぞれ不連続の期間として、すなわち、機
関暖機中において、第一排気ガス再循環経路Aと第二排
気ガス再循環経路Bとを交互に使用して排気ガスを再循
環させることも可能である。それにより、燃料加熱と高
温度の排気ガスの再循環とを比較的良好に両立させるこ
とができる。また、機関暖機中に、第一排気ガス再循環
経路Aと第二排気ガス再循環経路Bとを同時に使用して
排気ガスを再循環させても同様に、燃料加熱と高温度の
排気ガスの再循環とを比較的良好に両立させることがで
きる。
4の変形例を示す同様な系統図である。この変形例と図
2に示した排気ガス再循環装置4との違いは、第一排気
ガス再循環経路A’と第二排気ガス再循環経路B’とが
機関排気系3へ異なる位置で接続され、第一排気ガス再
循環経路A’及び第二排気ガス再循環経路B’には、再
循環排気ガス量を制御するための別々の制御弁4a1
’,4a2 ’が配置されていることである。
3における接続位置は、第二排気ガス再循環経路B’の
機関排気系3における接続位置より下流側に位置してい
る。また、このような構成によって、第一排気ガス再循
環経路A’及び第二排気ガス再循環経路B’には共通部
分(図1における排気側接続通路4b)が存在しないた
めに、第二排気ガス再循環経路B’には、全体的に断熱
層4f’を設けることができる。
位置の違いによって、機関排気系3から第一排気ガス再
循環経路A’へ流入する排気ガスは、機関排気系3から
第二排気ガス再循環経路B’へ流入する排気ガスに比較
して、機関排気系3を長く通過して放熱量が多く温度低
下しているために、均質燃焼時において、第一排気ガス
再循環経路A’を使用して各気筒1a内へ再循環させら
れる排気ガス温度は、図2に示す実施形態に比較してさ
らに低くすることができ、均質燃焼時の充填効率を向上
させ、機関出力を高めることが可能となる。また、成層
燃焼時においては、第二排気ガス再循環経路B’に全体
的に断熱層4f’が設けられているために、さらに高温
度の排気ガスを気筒内へ再循環させることができる。
させる排気ガス量は、成層燃焼及び均質燃焼のそれぞれ
における機関回転数、機関負荷、及び機関温度等に基づ
いて最適に制御される。
環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、
排気ガス再循環装置は、機関排気系と機関吸気系とを連
通する第一排気ガス再循環経路及び第二排気ガス再循環
経路を有し、第一排気ガス再循環経路には冷却器が設け
られ、成層燃焼時には、主に、第二排気ガス再循環経路
を使用して高温度の排気ガスを再循環させ、点火プラグ
近傍に形成した可燃混合気の温度を高めて良好に着火燃
焼させることが可能となる。また、均質燃焼時には、主
に、第一排気ガス再循環経路を使用して低温度の排気ガ
スを再循環させ、吸気充填効率の低下を防止し、高い機
関出力を得ることが可能となる。こうして、成層燃焼及
び均質燃焼のいずれにおいても排気ガス再循環によって
NOx 発生量の低減された良好な燃焼を実現することが
できる。
噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略平面図で
ある。
な系統図である。
面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式
火花点火内燃機関であって、成層燃焼と均質燃焼とを実
施可能であり、排気ガス再循環装置は、機関排気系と機
関吸気系とを連通する第一排気ガス再循環経路及び第二
排気ガス再循環経路を有し、前記第一排気ガス再循環経
路には冷却器が設けられ、前記成層燃焼時には、主に、
前記第二排気ガス再循環経路を使用して排気ガスを再循
環させ、前記均質燃焼時には、主に、前記第一排気ガス
再循環経路を使用して排気ガスを再循環させることを特
徴とする排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点
火内燃機関。 - 【請求項2】 前記第二排気ガス再循環経路は、前記機
関吸気系におけるサージタンク下流側の各吸気ポートに
接続され、前記第一排気ガス再循環経路は、前記吸気系
における前記サージタンク又は前記サージタンク上流側
の吸気管に接続されていることを特徴とする請求項1に
記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火
内燃機関。 - 【請求項3】 前記第一排気ガス再循環経路と前記第二
排気ガス再循環経路は、前記機関排気系へ異なる位置で
接続され、前記第一排気ガス再循環経路の前記機関排気
系における接続位置は、前記第二排気ガス再循環経路の
前記機関排気系における接続位置より下流側に位置して
いることを特徴とする請求項1に記載の排気ガス再循環
装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関。 - 【請求項4】 前記冷却器には気筒内へ噴射される燃料
が導かれ、前記冷却器において前記第一排気ガス再循環
経路を通過する排気ガスと前記燃料との間で熱交換が実
施されることを特徴とする請求項1に記載の排気ガス再
循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関。 - 【請求項5】 前記冷却器は、前記排気ガスが通過する
排気ガス通路と、前記排気ガス通路と並列に延在する燃
料蓄圧室とが設けられ、前記燃料蓄圧室には、各気筒へ
燃料を供給するために、前記燃料蓄圧室の燃料上流側か
ら燃料下流側へ並列配置された複数の燃料通路が接続さ
れ、前記排気ガス通路の排気上流側と前記燃料蓄圧室の
燃料上流側とが隣接していることを特徴とする請求項4
に記載の排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点
火内燃機関。 - 【請求項6】 機関暖機中の第一所定期間は前記第一排
気ガス再循環経路を使用して排気ガスを再循環させるこ
とを特徴とする請求項4に記載の排気ガス再循環装置を
備えた筒内噴射式火花点火内燃機関。 - 【請求項7】 前記機関暖機中の第一所定期間を除く第
二所定期間は前記第二排気ガス再循環経路を使用して排
気ガスを再循環させることを特徴とする請求項6に記載
の排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃
機関。 - 【請求項8】 前記第一所定期間及び前記第二所定期間
はそれぞれ不連続の期間であり、前記機関暖機中には、
前記第一排気ガス再循環経路と前記第二排気ガス再循環
経路とを交互に使用して排気ガスを再循環させることを
特徴とする請求項7に記載の排気ガス再循環装置を備え
た筒内噴射式火花点火内燃機関。
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JP12426999A JP3887991B2 (ja) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | 排気ガス再循環装置を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関 |
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ID=14881164
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1999
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JP2007278298A (ja) * | 2001-03-27 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | ガソリンを高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離する膜を有する内燃機関用燃料供給装置 |
JP4498384B2 (ja) * | 2001-03-27 | 2010-07-07 | トヨタ自動車株式会社 | ガソリンを高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離する膜を有する内燃機関用燃料供給装置 |
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