JP3591141B2 - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、排気を吸気系に再循環する排気還流装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直接噴射式火花点火内燃機関においては、燃焼室内に燃料を直接供給するため、応答性の改善が期待できるものである。
このような内燃機関においては、燃焼室内に縦渦の吸気流（タンブル渦流）を形成して、理論混合気よりも希薄な燃料で希薄燃焼（以下、リーン燃焼）を行い、機関の燃費を改善する方法が採られる。
【０００３】
希薄燃料でも、点火時に点火プラグ近傍に濃い混合気を形成して成層化を図ることが可能であれば、燃焼（リーン燃焼）が可能であり、成層化は、前述のタンブル渦流を燃焼室に生成することによって実現可能である。
かかるタンブル渦流の形成方法としては、吸気ポートのハイポート化（直立ポート）やその形状変更等による方法が従来より提案されている。
【０００４】
しかしながら、リーン燃焼による燃費低減を実現させると、一方で排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）があまり低減できない。
そこで、排気を吸気系に再循環する排気還流（以下、ＥＧＲ）装置を付加し、排気を再燃焼させてＮＯｘを低減することが有効である。
筒内直接噴射式火花点火内燃機関は、ＥＧＲシステムに対して強いという特徴を持っており、大量のＥＧＲガスの供給が可能で、ＮＯｘ低減効果が大きい。
【０００５】
ところで、従来、このようなＥＧＲ装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関の構造としては、図１０及び図１１に示すようなものがある（特開平６−１４７０２２号公報参照）。
即ち、このものは、ピストン４０冠面とシリンダヘッド４１の下面との間に燃焼室４２を形成し、シリンダ４３の中心に沿ったシリンダ軸線を含む平面を挟んでシリンダヘッド４１の一側に吸気ポート４４と他側に排気ポート４５とを夫々備えると共に、各ポート４４，４５は夫々吸気バルブ４６と排気バルブ４７を介して燃焼室４２に連通される。
【０００６】
又、吸気ポート４４側のシリンダヘッド４１側壁には、燃料噴射弁４８が取り付けられ、該燃料噴射弁４８の先端噴孔４８ａが燃焼室４２の周縁部から該燃焼室４２内に臨まされ、吸気ポート４４と排気ポート４５間のシリンダヘッド４１下部壁には、点火プラグ４９が取り付けられ、該点火プラグ４９の先端の電極４９ａは燃焼室４２の中央部付近から該燃焼室４２内に臨まされる。
【０００７】
更に、かかる機関においては、後に詳述する成層混合気を作るため、燃焼室４２内における、吸気ポート４４からの吸気の逆タンブル渦流の発生を助長するべく、ピストン４０冠面の一側（例えば吸気側）部分に、下に凸の曲面を有した凹所４０ａが形成されると共に、この凹所４０ａからなだらかに***してピストン４０の上死点においてシリンダヘッド４１下面に近接する***部４０ｂが形成される。
【０００８】
一方、吸気管４４Ａと排気管４５Ａとは、ＥＧＲ制御弁５０を介装したＥＧＲ管５１を介して連通され、これらのＥＧＲ制御弁５０とＥＧＲ管５１とから、排気を吸気系に再循環するＥＧＲ装置を構成している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のＥＧＲ装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関にあっては、リーン燃焼を可能とするための成層混合気状態を作るべく、燃料噴射弁４８から噴射した燃料を点火プラグ４９の電極４９ａ付近に輸送するガス流動を生成する構成となっており、吸気ポート４４を直立させた構成となっている。
【００１０】
即ち、燃焼室２２に流入する吸気流を、その旋回方向が、吸気バルブ４６→ピストン４０→排気バルブ４７という順序となる、所謂逆タンブル渦流とするため、吸気ポート４４の燃焼室４２に対する連通方向をシリンダヘッド４１上方からとしている。
このため、吸気ポートの燃焼室に対する連通方向がシリンダヘッド側方からである一般的なレイアウトと比較して、機関の全高が高くなる等の問題点があり、機関の車両搭載性が悪化し、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が必要になるため、生産性の悪化を来すという問題点がある。
【００１１】
更に、従来の機関にあっては、吸気管４４Ａと排気管４５Ａとを短いＥＧＲ管５１で連通するべく、吸気管４４Ａと排気管４５Ａとが近接した構成となっており、この構成によって、排気の熱により吸気管４４Ａが熱せられ、これに伴って、吸気流の温度上昇が生起し、機関の充填効率の低下を来し、機関の高出力化が望めないという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気還流装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、前記排気還流装置の構造等において工夫を凝らすことにより、リーン燃焼による燃費低減の実現と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減の実現とを両立させつつ、従来生起していた問題点を解決することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
燃料噴射弁により、ピストン冠面とシリンダボア内周面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
排気を吸気系に再循環する排気還流装置であって、各気筒毎に設けられて吸気バルブと排気バルブが夫々配設される吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、該排気還流通路に介装される排気還流制御弁と、を含んで構成される排気還流装置を備える一方、
前記吸気ポート上流側の吸気通路に介装されるスロットルバルブと、
前記排気還流通路の前記排気還流制御弁下流側に連通される新気導入通路と、
前記新気導入通路に介装される新気制御弁と、
前記スロットルバルブ、排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々制御するコントロールユニットと、
を含んで構成する一方、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状をなしつつ、シリンダヘッド側方から燃焼室に連通され、
前記コントロールユニットは、機関全開時には、前記スロットルバルブの開度を機関運転状態に応じて制御すると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々閉じて、新気を吸気通路のみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に順タンブル渦流を形成する一方、機関部分負荷運転時には、前記スロットルバルブを閉じると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁のうち少なくとも新気制御弁を開いて、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートのみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に逆タンブル渦流を形成する制御を行う構成とした。
【００１４】
請求項２に係る発明は、
前記ピストン冠面の吸気側であって燃料噴射弁の先端噴孔と点火プラグの先端電極とが臨む位置に、凹所を形成した構成とした。
請求項３に係る発明は、
前記燃料噴射弁を、その先端噴孔が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該吸気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設し、
前記点火プラグを、その先端電極が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該排気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設した。
【００１５】
請求項４に係る発明は、
前記新気導入通路は、前記排気還流通路の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延び、一端部は大気に開放され、他端部は閉塞された新気導入管と、該新気導入管から分岐した複数の新気導入分岐管とから構成され、
各新気導入分岐管は、各排気還流通路の排気還流制御弁近傍の上部壁に連通され、
各新気導入分岐管には、前記新気制御弁が介装される構成とした。
【００１６】
請求項５に係る発明は、
各気筒毎に設けた２つの排気還流通路の基端部を合流させて一体化して形成した単一の排気還流管を設け、
前記新気導入分岐管を、前記単一の排気還流管の前記合流部に連通し、
前記排気還流管の前記合流部に排気還流制御弁を介装し、
前記新気導入分岐管に新気制御弁を介装した構成とした。
【００１７】
請求項６に係る発明は、
前記コントロールユニットは、機関部分負荷運転時において、排気還流領域では前記排気還流制御弁を開く一方、排気還流領域外では前記排気還流制御弁を閉じる制御を行う構成とした。
【００１８】
かかる本発明の作用について説明すると、機関全開時には、吸入空気量も多く、燃料も多く供給されるため、通常の吸気系からのみ吸気（新気）を導入する。
即ち、機関全開時には、スロットルバルブの開度が機関運転状態に応じて制御される一方、排気還流通路の排気還流制御弁並びに新気導入通路の新気制御弁が共に閉じられる。
これにより、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が遮断され、通常の吸気系からのみ吸気ポートを介して新気が燃焼室に導入される。
【００１９】
燃焼室内の吸気流れは、順タンブル渦流となり、この順タンブル渦流によって、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料と空気との混合気がピストン冠面の凹所内を旋回して、点火プラグにて点火される。
機関の部分負荷運転時には、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを両立させるため、必要に応じて、排気還流を実行する。
【００２０】
即ち、部分負荷運転時の排気還流領域においては、スロットルバルブが閉じられ、排気還流通路の排気還流制御弁並びに新気導入通路の新気制御弁が共に開かれる。
これにより、排気還流通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が行われ、吸気ポートから排気還流ガスと新気とが燃焼室に導入される。
【００２１】
燃焼室内の吸気流れは、逆タンブル渦流となり、この逆タンブル渦流は、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気を点火プラグの電極近傍に配置する向きであるから、成層化を実現することができる。よって、成層化によるリーン燃焼が奏される。
一方、部分負荷運転時の排気還流領域外においては、スロットルバルブが閉じられ、排気還流通路の排気還流制御弁が閉じられ、新気導入通路の新気制御弁が開かれる。
【００２２】
これにより、新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が行われ、吸気ポートから新気のみが燃焼室に導入される。
燃焼室内の吸気流れは、先の排気還流領域時と同様に、逆タンブル渦流となり、成層化によるリーン燃焼が奏される。
請求項７に係る発明は、
燃焼室内に燃料を直接噴射して火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、
前記排気還流通路に連通される新気導入通路と、
を含んで構成され、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状に形成され、
所定の運転状態時に、前記吸気ポート上流側に配設されたスロットルバルブを閉じると共に、前記排気ポートからの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートを介して燃焼室に導入し、燃焼室内の吸気流れが、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気が点火プラグ近傍に配置する向きである逆タンブル渦流を形成する構成とした。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１及び７に係る発明によれば、
吸気ポートの燃焼室に対する連通方向がシリンダヘッド側方からである一般的なレイアウトにしつつ、リーン燃焼による燃費低減の実現と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減の実現とを両立させることができ、機関の全高が高くなる等の問題点がなくなって、機関の車両搭載性が良好となり、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が不要になるため、生産性の向上を図ることができる。
【００２４】
又、従来のように吸気管と排気管とを短い排気還流管で連通するべく、吸気管と排気管とが近接した構成とする必要がなくなり、排気の熱により吸気管が熱せられるのを防止できるため、吸気流の温度上昇の生起を抑制でき、機関の充填効率の向上を図れ、機関の高出力化を望むことができる。
更に、排気還流通路により、各気筒毎の排気ポートと吸気ポートとを連通するようにして、排気還流ガスを各気筒毎に供給するようにしたから、各気筒に対する排気還流ガス分配性を向上できる。
【００２５】
請求項２に係る発明によると、
ピストン冠面の凹所により、燃焼室に吸入された排気還流ガスや燃焼室内で気化した混合気の拡散を抑制でき、又、凹所によって、点火前に濃い混合気ガスを点火プラグの電極近傍に分布させる成層化にも有効である。
請求項３に係る発明によると、
燃料噴射弁と点火プラグの配置が、リーン燃焼を実現するための成層化により有利となる。
【００２６】
請求項４に係る発明によると、
新気導入通路を効果的に形成でき、レイアウト性に優れている。
請求項５に係る発明によると、
排気還流通路、新気制御弁及び排気還流制御弁の設置数を半分に低減できる等構成の簡略化を図れ、製作コストの低減を図ることができる。
【００２７】
請求項６に係る発明によると、
機関全開時には、通常と変わりのない運転性能を保持でき、機関の部分負荷運転時には、成層化によるリーン燃焼を奏することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施形態である４サイクル内燃機関の全体を示す平面図、図２及び図３は、機関のシリンダ部分の拡大平面図及び縦断面図である。
【００２９】
これらの図において、シリンダブロック３のシリンダボア３Ａ内にて往復運動されるピストン２の冠面２Ａとシリンダボア３Ａ内周面とシリンダヘッド１下面との間には燃焼室７が形成され、この燃焼室７の上部のシリンダヘッド１、即ち、シリンダヘッド１下部に形成されたシリンダヘッド燃焼室７Ａの壁面を臨む位置には並列する２つの吸気ポート４と並列する２つの排気ポート５とが設けられ、各吸気ポート４には吸気バルブ１３が、各排気ポート５には排気バルブ１４が、夫々配設され、各吸気ポート４及び各排気ポート５には、夫々サージタンク２１から分岐した吸気マニホールド８及び排気マニホールド９が接続される。前記サージタンク２１の入口部には吸気管２１Ａが接続され、該吸気管２１Ａには吸入空気量を制御するスロットルバルブ２２が介装される。
【００３０】
前記吸気ポート４、吸気マニホールド８、サージタンク２１及び吸気管２１Ａから、吸気通路が構成され、前記排気ポート５及び排気マニホールド９から、排気通路が構成される。
前記吸気通路の一部を構成する吸気ポート４並びに排気通路の一部を構成する排気ポート５の燃焼室７に対する連通方向は、夫々シリンダヘッド１側方からに設定され、吸気ポート４と排気ポート５とは互いに相反する方向に伸びた配置となっている。
【００３１】
ここで、燃料噴射弁１８は、図示しない燃料ギャラリから供給される燃料を燃焼室７内に直接噴射するものであり、その先端噴孔１８ａが吸気バルブ１３と排気バルブ１４間位置で、該吸気バルブ１３近傍位置において、燃焼室７内に露出し、かつ燃料噴霧の中心線がシリンダ中心軸と所定角度をなすように、燃焼室７のピストン２の冠面２Ａと対向するシリンダヘッド１壁、即ち、シリンダヘッド燃焼室７Ａの壁に配設される。
【００３２】
又、点火プラグ２０は、その先端の電極２０ａが前記吸気バルブ１３と排気バルブ１４間位置で、該排気バルブ１４近傍位置において、燃焼室７内に露出し、かつその中心線がシリンダ中心軸と所定角度をなすように、シリンダヘッド燃焼室７Ａの壁に配設される。
前記ピストン２の冠面２Ａは、機関が圧縮行程中（上死点付近）のときにおいて、燃料噴射弁１８から吸気側に噴射された燃料の噴霧を受けて、該燃料噴霧を点火プラグ２０の電極２０ａ方向に向かわしめる形状に形成される。
【００３３】
具体的には、ピストン２の冠面２Ａの吸気側であって燃料噴射弁１８の先端噴孔１８ａと点火プラグ２０の先端電極２０ａとが臨む位置に、内面が凹曲面の凹所３０（図４（Ａ）参照）が形成される。尚、図示した凹所３０の形状は一例であり、例えば図４（Ｂ）に示す形状の凹所３０等、その他種々の形状が考えられる。
【００３４】
かかる筒内直接噴射式火花点火内燃機関には、排気を吸気系に再循環するＥＧＲ装置が設けられている。
かかるＥＧＲ装置は、吸気ポート４と排気ポート５とを連通するＥＧＲ通路としてのＥＧＲ管１０と、該ＥＧＲ管１０に介装されるＥＧＲ制御弁１１と、を含んで構成される。
【００３５】
この場合、各ＥＧＲ管１０は吸気ポート４と排気ポート５の上方位置に、上方に凸の湾曲形状をなして配設され、その一端部は各排気ポート５に、他端部は各吸気ポート４に連通される。
又、各ＥＧＲ管１０の各ＥＧＲ制御弁１１下流側には、新気導入通路が連通接続され、この新気導入通路２９には新気制御弁１６が介装される。
【００３６】
前記新気導入通路２９は、前記ＥＧＲ管１０の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延びる新気導入管２９Ａと、該新気導入管２９Ａから分岐した複数の新気導入分岐管２９Ｂとから構成される。
前記新気導入管２９Ａの一端部は図示しないエアフィルタを介して大気に開放され、他端部は閉塞される。
【００３７】
又、新気導入管２９Ａから分岐した各新気導入分岐管２９Ｂは、各ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１近傍の上部壁に連通され、各新気導入分岐管２９Ｂには、前記新気制御弁１６が夫々介装される。
かかる構成によって、排気ポート５からの排気還流ガスと新気導入管２９Ａからの新気とが、ＥＧＲ管１０から吸気ポート４を介して燃焼室７に導入可能となるが、ＥＧＲ管１０の吸気ポート４への連通口４Ａは、該ＥＧＲ管１０から吸気ポート４を介して燃焼室７に流入する排気還流ガス及び新気が、燃焼室７内にて、吸気バルブ１３、ピストン２、排気バルブ１４という順序の旋回方向を有する逆タンブル渦流となるような位置に設定される。
【００３８】
具体的には、ＥＧＲ管１０の吸気ポート４への連通口４Ａは、該吸気ポート４の上部壁に設定される。又、ＥＧＲ管１０の排気ポート５への連通口５Ａは、該排気ポート５の上部壁に設定される。
上述したＥＧＲ制御弁１１並びに新気制御弁１６は、共に、機関運転状態に基づいて、コントロールユニット１５からの制御信号により開閉並びに開時の開度が制御される。
【００３９】
この制御内容においては、後述の作用の説明にて行う。
次に、かかる実施形態の作用を、機関の運転状態毎に分けて説明する。
機関の全開時（ＷＯＴ）
機関全開時、スロットルバルブ２２の全開時には、吸入空気量も多く、燃料も多く供給されるため、吸気マニホールド８からのみ吸気（新気）を導入する。
【００４０】
即ち、図５において、機関全開時には、コントロールユニット１５からの指令により、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１並びに新気導入通路２９の新気制御弁１６が共に閉じられる。
これにより、排気通路からのＥＧＲガスと新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が遮断され、吸気マニホールド８からのみ吸気ポート４を介して新気２４が燃焼室７に導入される。
【００４１】
吸気流の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット１５からの信号によりスロットルバルブ２２の開度が制御されることによって、制御される。
燃焼室７内の吸気流れは、図５の矢印で示す方向の順タンブル渦流３１となり、この順タンブル渦流によって、燃料噴射弁１８から燃焼室７内に直接噴射された燃料１９と空気との混合気２６がピストン冠面２Ａの凹所３０内を図の矢印で示すように旋回して、点火プラグ２０にて点火される。
【００４２】
機関の部分負荷運転時
機関の部分負荷運転時には、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを両立させるため、ＥＧＲを実行する。
ここで、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを成立させるためには、ＥＧＲ量を適切に設定する必要がある。
【００４３】
図８は、リーン燃焼とＮＯｘ低減とが成立するＥＧＲ供給量を示すグラフであり、夫々機関回転数一定、空燃比（Ａ／Ｆ）＝λ時の堆積効率ηｖを夫々４５％（同図（ａ））、３５％（同図（ｂ））、２５％（同図（ｃ））で一定とし、このときの燃料供給量を固定して、機関を運転した結果を示している。
各グラフの横軸はＡ／Ｆ、縦軸は吸気新気に対するＥＧＲガスの混合率（ＥＧＲ率）である。又、各グラフのａ線は、ＥＧＲガスの導入限界線、ｂ線は、ＮＯｘを９０％以上低減するに必要なＥＧＲガス量、ｃ線は、燃焼変動率を１０％以内にするために必要なＥＧＲガス量を示している。
【００４４】
従って、各グラフのａ〜ｃ線で囲まれた領域内でＥＧＲ実行することにより、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを成立させた運転状態となる。又、前記ａ〜ｃ線で囲まれた領域外は、ＥＧＲ実行しない領域となる。
一方、リーン燃焼時には、点火時に点火プラグ２０の電極２０ａ付近に濃い混合気を形成しておき、燃焼室７内を成層化することが有効であり、成層化することによって、点火安定性が増し、希薄限界点が高くなる。
【００４５】
成層化するためには、噴射燃料による混合気が点火時に点火プラグ２０の電極２０ａ近傍に存在させることができる吸気流れが必要であり、上述した全開時のような順タンブル渦流３１では、吸気流が噴射燃料に直接当たるため、噴射燃料を巻き込んで希薄混合化してしまい、成層化を図れない。
従って、部分負荷運転時のＥＧＲ領域（図８参照）においては、コントロールユニット１５からの指令により、図６に示すように、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１並びに新気導入通路２９の新気制御弁１６が共に開かれる。
【００４６】
これにより、排気通路からのＥＧＲガスと新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が行われ、吸気ポート４からＥＧＲガスと新気とが燃焼室７に導入される。
ＥＧＲガスと新気の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット１５からの信号によりＥＧＲ制御弁１１の開度並びに新気制御弁１６の開度が夫々制御されることによって、制御される。
【００４７】
燃焼室７内の吸気流れは、図の矢印で示す逆タンブル渦流３２となり、この逆タンブル渦流３２は、燃料噴射弁１８から燃焼室７内に直接噴射された燃料１９による濃い気化混合気２６を点火プラグ２０の電極２０ａ近傍に配置する向きであるから、成層化を実現することができる。よって、成層化によるリーン燃焼が奏される。
【００４８】
尚、図６において、２５は新気、２７はＥＧＲガスを示す。
一方、部分負荷運転時のＥＧＲ領域外（図８参照）においては、コントロールユニット１５からの指令により、図７に示すように、スロットルバルブ２２が閉じられる一方、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１が閉じられ、新気導入通路２９の新気制御弁１６が開かれる。
【００４９】
これにより、新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が行われ、吸気ポート４から新気のみが燃焼室７に導入される。
この場合も、新気の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット１５からの信号により新気制御弁１６の開度が夫々制御されることによって、制御される。
【００５０】
燃焼室７内の吸気流れは、図６のＥＧＲ領域時と同様に、逆タンブル渦流となり、成層化によるリーン燃焼が奏される。
機関の低回転時
機関低回転時には、コントロールユニット１５からの指令により、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１が閉じられ、新気導入通路２９の新気制御弁１６が開かれる。
【００５１】
これにより、新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が行われ、吸気ポート４から新気のみが燃焼室７に導入される。
これにより、同様に成層化が図られて点火安定性が向上され、燃費向上が図られる。
以上説明した実施形態によると、リーン燃焼による燃費低減を実現させつつ、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減でき、しかも、従来の問題点を次のように解消することができる。
【００５２】
即ち、吸気ポート４の燃焼室７に対する連通方向がシリンダヘッド１側方からである一般的なレイアウトにすることができ、機関の全高が高くなる等の問題点がなくなって、機関の車両搭載性が良好となり、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が不要になるため、生産性の向上を図ることができる。
又、従来のように吸気管と排気管とを短いＥＧＲ管で連通するべく、吸気管と排気管とが近接した構成とする必要がなくなり、排気の熱により吸気管が熱せられるのを防止できるため、吸気流の温度上昇の生起を抑制でき、機関の充填効率の向上を図れ、機関の高出力化を望むことができる。
【００５３】
更に、上記の構成によると、ＥＧＲ管１０により、各気筒毎の排気ポート５と吸気ポート４とを連通するようにして、ＥＧＲガスを各気筒毎に供給するようにしたから、各気筒に対するＥＧＲガス分配性を向上できる。
又、ピストン冠面２Ａに凹所３０を設ける構成としたから、燃焼室７に吸入されたＥＧＲガスや燃焼室７内で気化した混合気の拡散を抑制でき、又、凹所３０によって、点火前に濃い混合気ガスを点火プラグ２０の電極２０ａ近傍に分布させる成層化にも有効である。
【００５４】
上記の実施形態においては、各気筒毎に新気導入管２９Ａから分岐した２つの新気導入分岐管２９Ｂを設け、これを各気筒毎に設けた２つのＥＧＲ管１０に連通した構成としたが、図９に示すように、各気筒毎に設けた２つのＥＧＲ管１０の基端部を合流させて一体化して形成した単一のＥＧＲ管１０Ａを設けると共に、各気筒毎に新気導入管１０から分岐した１つの新気導入分岐管２９Ｃを設け、これを単一のＥＧＲ管１０Ａの前記合流部に連通し、１つの新気導入分岐管２９Ｃに夫々新気制御弁１６を介装し、単一のＥＧＲ管１０Ａの前記合流部にＥＧＲ制御弁１１を介装した構成としても良い。
【００５５】
かかる構成によれば、ＥＧＲ管、新気制御弁及びＥＧＲ制御弁の設置数を半分に低減できる等構成の簡略化を図れ、製作コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施形態を示す縦断面図
【図２】同上の実施形態の平面図
【図３】同上の実施形態の機関全体の平面図
【図４】ピストン冠面形状を示す平面図
【図５】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図６】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図７】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図８】リーン燃焼とＮＯｘ低減とが成立するＥＧＲ供給量を示すグラフ
【図９】他の実施形態を示す機関全体の平面図
【図１０】従来の筒内直接噴射式火花点火内燃機関を示す縦断面図
【図１１】同上の平面図
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ ピストン
２Ａ ピストン冠面
３Ａ シリンダボア
４ 吸気ポート
４Ａ 連通口
５ 排気ポート
７ 燃焼室
１０ ＥＧＲ管
１１ ＥＧＲ制御弁
１３ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１５ コントロールユニット
１６ 新気制御弁
１８ 燃料噴射弁
１８ａ 噴孔
２０ 点火プラグ
２０ａ 電極
２９ 新気導入通路
２９Ａ 新気導入管
２９Ｂ 新気導入分岐管
２９Ｃ 新気導入分岐管
３０ 凹所
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、排気を吸気系に再循環する排気還流装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直接噴射式火花点火内燃機関においては、燃焼室内に燃料を直接供給するため、応答性の改善が期待できるものである。
このような内燃機関においては、燃焼室内に縦渦の吸気流（タンブル渦流）を形成して、理論混合気よりも希薄な燃料で希薄燃焼（以下、リーン燃焼）を行い、機関の燃費を改善する方法が採られる。
【０００３】
希薄燃料でも、点火時に点火プラグ近傍に濃い混合気を形成して成層化を図ることが可能であれば、燃焼（リーン燃焼）が可能であり、成層化は、前述のタンブル渦流を燃焼室に生成することによって実現可能である。
かかるタンブル渦流の形成方法としては、吸気ポートのハイポート化（直立ポート）やその形状変更等による方法が従来より提案されている。
【０００４】
しかしながら、リーン燃焼による燃費低減を実現させると、一方で排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）があまり低減できない。
そこで、排気を吸気系に再循環する排気還流（以下、ＥＧＲ）装置を付加し、排気を再燃焼させてＮＯｘを低減することが有効である。
筒内直接噴射式火花点火内燃機関は、ＥＧＲシステムに対して強いという特徴を持っており、大量のＥＧＲガスの供給が可能で、ＮＯｘ低減効果が大きい。
【０００５】
ところで、従来、このようなＥＧＲ装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関の構造としては、図１０及び図１１に示すようなものがある（特開平６−１４７０２２号公報参照）。
即ち、このものは、ピストン４０冠面とシリンダヘッド４１の下面との間に燃焼室４２を形成し、シリンダ４３の中心に沿ったシリンダ軸線を含む平面を挟んでシリンダヘッド４１の一側に吸気ポート４４と他側に排気ポート４５とを夫々備えると共に、各ポート４４，４５は夫々吸気バルブ４６と排気バルブ４７を介して燃焼室４２に連通される。
【０００６】
又、吸気ポート４４側のシリンダヘッド４１側壁には、燃料噴射弁４８が取り付けられ、該燃料噴射弁４８の先端噴孔４８ａが燃焼室４２の周縁部から該燃焼室４２内に臨まされ、吸気ポート４４と排気ポート４５間のシリンダヘッド４１下部壁には、点火プラグ４９が取り付けられ、該点火プラグ４９の先端の電極４９ａは燃焼室４２の中央部付近から該燃焼室４２内に臨まされる。
【０００７】
更に、かかる機関においては、後に詳述する成層混合気を作るため、燃焼室４２内における、吸気ポート４４からの吸気の逆タンブル渦流の発生を助長するべく、ピストン４０冠面の一側（例えば吸気側）部分に、下に凸の曲面を有した凹所４０ａが形成されると共に、この凹所４０ａからなだらかに***してピストン４０の上死点においてシリンダヘッド４１下面に近接する***部４０ｂが形成される。
【０００８】
一方、吸気管４４Ａと排気管４５Ａとは、ＥＧＲ制御弁５０を介装したＥＧＲ管５１を介して連通され、これらのＥＧＲ制御弁５０とＥＧＲ管５１とから、排気を吸気系に再循環するＥＧＲ装置を構成している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のＥＧＲ装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関にあっては、リーン燃焼を可能とするための成層混合気状態を作るべく、燃料噴射弁４８から噴射した燃料を点火プラグ４９の電極４９ａ付近に輸送するガス流動を生成する構成となっており、吸気ポート４４を直立させた構成となっている。
【００１０】
即ち、燃焼室２２に流入する吸気流を、その旋回方向が、吸気バルブ４６→ピストン４０→排気バルブ４７という順序となる、所謂逆タンブル渦流とするため、吸気ポート４４の燃焼室４２に対する連通方向をシリンダヘッド４１上方からとしている。
このため、吸気ポートの燃焼室に対する連通方向がシリンダヘッド側方からである一般的なレイアウトと比較して、機関の全高が高くなる等の問題点があり、機関の車両搭載性が悪化し、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が必要になるため、生産性の悪化を来すという問題点がある。
【００１１】
更に、従来の機関にあっては、吸気管４４Ａと排気管４５Ａとを短いＥＧＲ管５１で連通するべく、吸気管４４Ａと排気管４５Ａとが近接した構成となっており、この構成によって、排気の熱により吸気管４４Ａが熱せられ、これに伴って、吸気流の温度上昇が生起し、機関の充填効率の低下を来し、機関の高出力化が望めないという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気還流装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、前記排気還流装置の構造等において工夫を凝らすことにより、リーン燃焼による燃費低減の実現と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減の実現とを両立させつつ、従来生起していた問題点を解決することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
燃料噴射弁により、ピストン冠面とシリンダボア内周面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
排気を吸気系に再循環する排気還流装置であって、各気筒毎に設けられて吸気バルブと排気バルブが夫々配設される吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、該排気還流通路に介装される排気還流制御弁と、を含んで構成される排気還流装置を備える一方、
前記吸気ポート上流側の吸気通路に介装されるスロットルバルブと、
前記排気還流通路の前記排気還流制御弁下流側に連通される新気導入通路と、
前記新気導入通路に介装される新気制御弁と、
前記スロットルバルブ、排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々制御するコントロールユニットと、
を含んで構成する一方、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状をなしつつ、シリンダヘッド側方から燃焼室に連通され、
前記コントロールユニットは、機関全開時には、前記スロットルバルブの開度を機関運転状態に応じて制御すると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々閉じて、新気を吸気通路のみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に順タンブル渦流を形成する一方、機関部分負荷運転時には、前記スロットルバルブを閉じると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁のうち少なくとも新気制御弁を開いて、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートのみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に逆タンブル渦流を形成する制御を行う構成とした。
【００１４】
請求項２に係る発明は、
前記ピストン冠面の吸気側であって燃料噴射弁の先端噴孔と点火プラグの先端電極とが臨む位置に、凹所を形成した構成とした。
請求項３に係る発明は、
前記燃料噴射弁を、その先端噴孔が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該吸気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設し、
前記点火プラグを、その先端電極が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該排気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設した。
【００１５】
請求項４に係る発明は、
前記新気導入通路は、前記排気還流通路の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延び、一端部は大気に開放され、他端部は閉塞された新気導入管と、該新気導入管から分岐した複数の新気導入分岐管とから構成され、
各新気導入分岐管は、各排気還流通路の排気還流制御弁近傍の上部壁に連通され、
各新気導入分岐管には、前記新気制御弁が介装される構成とした。
【００１６】
請求項５に係る発明は、
各気筒毎に設けた２つの排気還流通路の基端部を合流させて一体化して形成した単一の排気還流管を設け、
前記新気導入分岐管を、前記単一の排気還流管の前記合流部に連通し、
前記排気還流管の前記合流部に排気還流制御弁を介装し、
前記新気導入分岐管に新気制御弁を介装した構成とした。
【００１７】
請求項６に係る発明は、
前記コントロールユニットは、機関部分負荷運転時において、排気還流領域では前記排気還流制御弁を開く一方、排気還流領域外では前記排気還流制御弁を閉じる制御を行う構成とした。
【００１８】
かかる本発明の作用について説明すると、機関全開時には、吸入空気量も多く、燃料も多く供給されるため、通常の吸気系からのみ吸気（新気）を導入する。
即ち、機関全開時には、スロットルバルブの開度が機関運転状態に応じて制御される一方、排気還流通路の排気還流制御弁並びに新気導入通路の新気制御弁が共に閉じられる。
これにより、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が遮断され、通常の吸気系からのみ吸気ポートを介して新気が燃焼室に導入される。
【００１９】
燃焼室内の吸気流れは、順タンブル渦流となり、この順タンブル渦流によって、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料と空気との混合気がピストン冠面の凹所内を旋回して、点火プラグにて点火される。
機関の部分負荷運転時には、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを両立させるため、必要に応じて、排気還流を実行する。
【００２０】
即ち、部分負荷運転時の排気還流領域においては、スロットルバルブが閉じられ、排気還流通路の排気還流制御弁並びに新気導入通路の新気制御弁が共に開かれる。
これにより、排気還流通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が行われ、吸気ポートから排気還流ガスと新気とが燃焼室に導入される。
【００２１】
燃焼室内の吸気流れは、逆タンブル渦流となり、この逆タンブル渦流は、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気を点火プラグの電極近傍に配置する向きであるから、成層化を実現することができる。よって、成層化によるリーン燃焼が奏される。
一方、部分負荷運転時の排気還流領域外においては、スロットルバルブが閉じられ、排気還流通路の排気還流制御弁が閉じられ、新気導入通路の新気制御弁が開かれる。
【００２２】
これにより、新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が行われ、吸気ポートから新気のみが燃焼室に導入される。
燃焼室内の吸気流れは、先の排気還流領域時と同様に、逆タンブル渦流となり、成層化によるリーン燃焼が奏される。
請求項７に係る発明は、
燃焼室内に燃料を直接噴射して火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、
前記排気還流通路に連通される新気導入通路と、
を含んで構成され、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状に形成され、
所定の運転状態時に、前記吸気ポート上流側に配設されたスロットルバルブを閉じると共に、前記排気ポートからの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートを介して燃焼室に導入し、燃焼室内の吸気流れが、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気が点火プラグ近傍に配置する向きである逆タンブル渦流を形成する構成とした。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１及び７に係る発明によれば、
吸気ポートの燃焼室に対する連通方向がシリンダヘッド側方からである一般的なレイアウトにしつつ、リーン燃焼による燃費低減の実現と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減の実現とを両立させることができ、機関の全高が高くなる等の問題点がなくなって、機関の車両搭載性が良好となり、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が不要になるため、生産性の向上を図ることができる。
【００２４】
又、従来のように吸気管と排気管とを短い排気還流管で連通するべく、吸気管と排気管とが近接した構成とする必要がなくなり、排気の熱により吸気管が熱せられるのを防止できるため、吸気流の温度上昇の生起を抑制でき、機関の充填効率の向上を図れ、機関の高出力化を望むことができる。
更に、排気還流通路により、各気筒毎の排気ポートと吸気ポートとを連通するようにして、排気還流ガスを各気筒毎に供給するようにしたから、各気筒に対する排気還流ガス分配性を向上できる。
【００２５】
請求項２に係る発明によると、
ピストン冠面の凹所により、燃焼室に吸入された排気還流ガスや燃焼室内で気化した混合気の拡散を抑制でき、又、凹所によって、点火前に濃い混合気ガスを点火プラグの電極近傍に分布させる成層化にも有効である。
請求項３に係る発明によると、
燃料噴射弁と点火プラグの配置が、リーン燃焼を実現するための成層化により有利となる。
【００２６】
請求項４に係る発明によると、
新気導入通路を効果的に形成でき、レイアウト性に優れている。
請求項５に係る発明によると、
排気還流通路、新気制御弁及び排気還流制御弁の設置数を半分に低減できる等構成の簡略化を図れ、製作コストの低減を図ることができる。
【００２７】
請求項６に係る発明によると、
機関全開時には、通常と変わりのない運転性能を保持でき、機関の部分負荷運転時には、成層化によるリーン燃焼を奏することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施形態である４サイクル内燃機関の全体を示す平面図、図２及び図３は、機関のシリンダ部分の拡大平面図及び縦断面図である。
【００２９】
これらの図において、シリンダブロック３のシリンダボア３Ａ内にて往復運動されるピストン２の冠面２Ａとシリンダボア３Ａ内周面とシリンダヘッド１下面との間には燃焼室７が形成され、この燃焼室７の上部のシリンダヘッド１、即ち、シリンダヘッド１下部に形成されたシリンダヘッド燃焼室７Ａの壁面を臨む位置には並列する２つの吸気ポート４と並列する２つの排気ポート５とが設けられ、各吸気ポート４には吸気バルブ１３が、各排気ポート５には排気バルブ１４が、夫々配設され、各吸気ポート４及び各排気ポート５には、夫々サージタンク２１から分岐した吸気マニホールド８及び排気マニホールド９が接続される。前記サージタンク２１の入口部には吸気管２１Ａが接続され、該吸気管２１Ａには吸入空気量を制御するスロットルバルブ２２が介装される。
【００３０】
前記吸気ポート４、吸気マニホールド８、サージタンク２１及び吸気管２１Ａから、吸気通路が構成され、前記排気ポート５及び排気マニホールド９から、排気通路が構成される。
前記吸気通路の一部を構成する吸気ポート４並びに排気通路の一部を構成する排気ポート５の燃焼室７に対する連通方向は、夫々シリンダヘッド１側方からに設定され、吸気ポート４と排気ポート５とは互いに相反する方向に伸びた配置となっている。
【００３１】
ここで、燃料噴射弁１８は、図示しない燃料ギャラリから供給される燃料を燃焼室７内に直接噴射するものであり、その先端噴孔１８ａが吸気バルブ１３と排気バルブ１４間位置で、該吸気バルブ１３近傍位置において、燃焼室７内に露出し、かつ燃料噴霧の中心線がシリンダ中心軸と所定角度をなすように、燃焼室７のピストン２の冠面２Ａと対向するシリンダヘッド１壁、即ち、シリンダヘッド燃焼室７Ａの壁に配設される。
【００３２】
又、点火プラグ２０は、その先端の電極２０ａが前記吸気バルブ１３と排気バルブ１４間位置で、該排気バルブ１４近傍位置において、燃焼室７内に露出し、かつその中心線がシリンダ中心軸と所定角度をなすように、シリンダヘッド燃焼室７Ａの壁に配設される。
前記ピストン２の冠面２Ａは、機関が圧縮行程中（上死点付近）のときにおいて、燃料噴射弁１８から吸気側に噴射された燃料の噴霧を受けて、該燃料噴霧を点火プラグ２０の電極２０ａ方向に向かわしめる形状に形成される。
【００３３】
具体的には、ピストン２の冠面２Ａの吸気側であって燃料噴射弁１８の先端噴孔１８ａと点火プラグ２０の先端電極２０ａとが臨む位置に、内面が凹曲面の凹所３０（図４（Ａ）参照）が形成される。尚、図示した凹所３０の形状は一例であり、例えば図４（Ｂ）に示す形状の凹所３０等、その他種々の形状が考えられる。
【００３４】
かかる筒内直接噴射式火花点火内燃機関には、排気を吸気系に再循環するＥＧＲ装置が設けられている。
かかるＥＧＲ装置は、吸気ポート４と排気ポート５とを連通するＥＧＲ通路としてのＥＧＲ管１０と、該ＥＧＲ管１０に介装されるＥＧＲ制御弁１１と、を含んで構成される。
【００３５】
この場合、各ＥＧＲ管１０は吸気ポート４と排気ポート５の上方位置に、上方に凸の湾曲形状をなして配設され、その一端部は各排気ポート５に、他端部は各吸気ポート４に連通される。
又、各ＥＧＲ管１０の各ＥＧＲ制御弁１１下流側には、新気導入通路が連通接続され、この新気導入通路２９には新気制御弁１６が介装される。
【００３６】
前記新気導入通路２９は、前記ＥＧＲ管１０の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延びる新気導入管２９Ａと、該新気導入管２９Ａから分岐した複数の新気導入分岐管２９Ｂとから構成される。
前記新気導入管２９Ａの一端部は図示しないエアフィルタを介して大気に開放され、他端部は閉塞される。
【００３７】
又、新気導入管２９Ａから分岐した各新気導入分岐管２９Ｂは、各ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１近傍の上部壁に連通され、各新気導入分岐管２９Ｂには、前記新気制御弁１６が夫々介装される。
かかる構成によって、排気ポート５からの排気還流ガスと新気導入管２９Ａからの新気とが、ＥＧＲ管１０から吸気ポート４を介して燃焼室７に導入可能となるが、ＥＧＲ管１０の吸気ポート４への連通口４Ａは、該ＥＧＲ管１０から吸気ポート４を介して燃焼室７に流入する排気還流ガス及び新気が、燃焼室７内にて、吸気バルブ１３、ピストン２、排気バルブ１４という順序の旋回方向を有する逆タンブル渦流となるような位置に設定される。
【００３８】
具体的には、ＥＧＲ管１０の吸気ポート４への連通口４Ａは、該吸気ポート４の上部壁に設定される。又、ＥＧＲ管１０の排気ポート５への連通口５Ａは、該排気ポート５の上部壁に設定される。
上述したＥＧＲ制御弁１１並びに新気制御弁１６は、共に、機関運転状態に基づいて、コントロールユニット１５からの制御信号により開閉並びに開時の開度が制御される。
【００３９】
この制御内容においては、後述の作用の説明にて行う。
次に、かかる実施形態の作用を、機関の運転状態毎に分けて説明する。
機関の全開時（ＷＯＴ）
機関全開時、スロットルバルブ２２の全開時には、吸入空気量も多く、燃料も多く供給されるため、吸気マニホールド８からのみ吸気（新気）を導入する。
【００４０】
即ち、図５において、機関全開時には、コントロールユニット１５からの指令により、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１並びに新気導入通路２９の新気制御弁１６が共に閉じられる。
これにより、排気通路からのＥＧＲガスと新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が遮断され、吸気マニホールド８からのみ吸気ポート４を介して新気２４が燃焼室７に導入される。
【００４１】
吸気流の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット１５からの信号によりスロットルバルブ２２の開度が制御されることによって、制御される。
燃焼室７内の吸気流れは、図５の矢印で示す方向の順タンブル渦流３１となり、この順タンブル渦流によって、燃料噴射弁１８から燃焼室７内に直接噴射された燃料１９と空気との混合気２６がピストン冠面２Ａの凹所３０内を図の矢印で示すように旋回して、点火プラグ２０にて点火される。
【００４２】
機関の部分負荷運転時
機関の部分負荷運転時には、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを両立させるため、ＥＧＲを実行する。
ここで、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを成立させるためには、ＥＧＲ量を適切に設定する必要がある。
【００４３】
図８は、リーン燃焼とＮＯｘ低減とが成立するＥＧＲ供給量を示すグラフであり、夫々機関回転数一定、空燃比（Ａ／Ｆ）＝λ時の堆積効率ηｖを夫々４５％（同図（ａ））、３５％（同図（ｂ））、２５％（同図（ｃ））で一定とし、このときの燃料供給量を固定して、機関を運転した結果を示している。
各グラフの横軸はＡ／Ｆ、縦軸は吸気新気に対するＥＧＲガスの混合率（ＥＧＲ率）である。又、各グラフのａ線は、ＥＧＲガスの導入限界線、ｂ線は、ＮＯｘを９０％以上低減するに必要なＥＧＲガス量、ｃ線は、燃焼変動率を１０％以内にするために必要なＥＧＲガス量を示している。
【００４４】
従って、各グラフのａ〜ｃ線で囲まれた領域内でＥＧＲ実行することにより、リーン燃焼とＮＯｘ低減とを成立させた運転状態となる。又、前記ａ〜ｃ線で囲まれた領域外は、ＥＧＲ実行しない領域となる。
一方、リーン燃焼時には、点火時に点火プラグ２０の電極２０ａ付近に濃い混合気を形成しておき、燃焼室７内を成層化することが有効であり、成層化することによって、点火安定性が増し、希薄限界点が高くなる。
【００４５】
成層化するためには、噴射燃料による混合気が点火時に点火プラグ２０の電極２０ａ近傍に存在させることができる吸気流れが必要であり、上述した全開時のような順タンブル渦流３１では、吸気流が噴射燃料に直接当たるため、噴射燃料を巻き込んで希薄混合化してしまい、成層化を図れない。
従って、部分負荷運転時のＥＧＲ領域（図８参照）においては、コントロールユニット１５からの指令により、図６に示すように、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１並びに新気導入通路２９の新気制御弁１６が共に開かれる。
【００４６】
これにより、排気通路からのＥＧＲガスと新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が行われ、吸気ポート４からＥＧＲガスと新気とが燃焼室７に導入される。
ＥＧＲガスと新気の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット１５からの信号によりＥＧＲ制御弁１１の開度並びに新気制御弁１６の開度が夫々制御されることによって、制御される。
【００４７】
燃焼室７内の吸気流れは、図の矢印で示す逆タンブル渦流３２となり、この逆タンブル渦流３２は、燃料噴射弁１８から燃焼室７内に直接噴射された燃料１９による濃い気化混合気２６を点火プラグ２０の電極２０ａ近傍に配置する向きであるから、成層化を実現することができる。よって、成層化によるリーン燃焼が奏される。
【００４８】
尚、図６において、２５は新気、２７はＥＧＲガスを示す。
一方、部分負荷運転時のＥＧＲ領域外（図８参照）においては、コントロールユニット１５からの指令により、図７に示すように、スロットルバルブ２２が閉じられる一方、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１が閉じられ、新気導入通路２９の新気制御弁１６が開かれる。
【００４９】
これにより、新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が行われ、吸気ポート４から新気のみが燃焼室７に導入される。
この場合も、新気の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット１５からの信号により新気制御弁１６の開度が夫々制御されることによって、制御される。
【００５０】
燃焼室７内の吸気流れは、図６のＥＧＲ領域時と同様に、逆タンブル渦流となり、成層化によるリーン燃焼が奏される。
機関の低回転時
機関低回転時には、コントロールユニット１５からの指令により、ＥＧＲ管１０のＥＧＲ制御弁１１が閉じられ、新気導入通路２９の新気制御弁１６が開かれる。
【００５１】
これにより、新気導入通路２９からの新気のＥＧＲ管１０への導入が行われ、吸気ポート４から新気のみが燃焼室７に導入される。
これにより、同様に成層化が図られて点火安定性が向上され、燃費向上が図られる。
以上説明した実施形態によると、リーン燃焼による燃費低減を実現させつつ、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減でき、しかも、従来の問題点を次のように解消することができる。
【００５２】
即ち、吸気ポート４の燃焼室７に対する連通方向がシリンダヘッド１側方からである一般的なレイアウトにすることができ、機関の全高が高くなる等の問題点がなくなって、機関の車両搭載性が良好となり、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が不要になるため、生産性の向上を図ることができる。
又、従来のように吸気管と排気管とを短いＥＧＲ管で連通するべく、吸気管と排気管とが近接した構成とする必要がなくなり、排気の熱により吸気管が熱せられるのを防止できるため、吸気流の温度上昇の生起を抑制でき、機関の充填効率の向上を図れ、機関の高出力化を望むことができる。
【００５３】
更に、上記の構成によると、ＥＧＲ管１０により、各気筒毎の排気ポート５と吸気ポート４とを連通するようにして、ＥＧＲガスを各気筒毎に供給するようにしたから、各気筒に対するＥＧＲガス分配性を向上できる。
又、ピストン冠面２Ａに凹所３０を設ける構成としたから、燃焼室７に吸入されたＥＧＲガスや燃焼室７内で気化した混合気の拡散を抑制でき、又、凹所３０によって、点火前に濃い混合気ガスを点火プラグ２０の電極２０ａ近傍に分布させる成層化にも有効である。
【００５４】
上記の実施形態においては、各気筒毎に新気導入管２９Ａから分岐した２つの新気導入分岐管２９Ｂを設け、これを各気筒毎に設けた２つのＥＧＲ管１０に連通した構成としたが、図９に示すように、各気筒毎に設けた２つのＥＧＲ管１０の基端部を合流させて一体化して形成した単一のＥＧＲ管１０Ａを設けると共に、各気筒毎に新気導入管１０から分岐した１つの新気導入分岐管２９Ｃを設け、これを単一のＥＧＲ管１０Ａの前記合流部に連通し、１つの新気導入分岐管２９Ｃに夫々新気制御弁１６を介装し、単一のＥＧＲ管１０Ａの前記合流部にＥＧＲ制御弁１１を介装した構成としても良い。
【００５５】
かかる構成によれば、ＥＧＲ管、新気制御弁及びＥＧＲ制御弁の設置数を半分に低減できる等構成の簡略化を図れ、製作コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施形態を示す縦断面図
【図２】同上の実施形態の平面図
【図３】同上の実施形態の機関全体の平面図
【図４】ピストン冠面形状を示す平面図
【図５】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図６】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図７】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図８】リーン燃焼とＮＯｘ低減とが成立するＥＧＲ供給量を示すグラフ
【図９】他の実施形態を示す機関全体の平面図
【図１０】従来の筒内直接噴射式火花点火内燃機関を示す縦断面図
【図１１】同上の平面図
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ ピストン
２Ａ ピストン冠面
３Ａ シリンダボア
４ 吸気ポート
４Ａ 連通口
５ 排気ポート
７ 燃焼室
１０ ＥＧＲ管
１１ ＥＧＲ制御弁
１３ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１５ コントロールユニット
１６ 新気制御弁
１８ 燃料噴射弁
１８ａ 噴孔
２０ 点火プラグ
２０ａ 電極
２９ 新気導入通路
２９Ａ 新気導入管
２９Ｂ 新気導入分岐管
２９Ｃ 新気導入分岐管
３０ 凹所
Claims (7)
- 燃料噴射弁により、ピストン冠面とシリンダボア内周面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
排気を吸気系に再循環する排気還流装置であって、各気筒毎に設けられて吸気バルブと排気バルブが夫々配設される吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、該排気還流通路に介装される排気還流制御弁と、を含んで構成される排気還流装置を備える一方、
前記吸気ポート上流側の吸気通路に介装されるスロットルバルブと、
前記排気還流通路の前記排気還流制御弁下流側に連通される新気導入通路と、
前記新気導入通路に介装される新気制御弁と、
前記スロットルバルブ、排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々制御するコントロールユニットと、
を含んで構成される一方、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状をなしつつ、シリンダヘッド側方から燃焼室に連通され、
前記コントロールユニットは、機関全開時には、前記スロットルバルブの開度を機関運転状態に応じて制御すると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々閉じて、新気を吸気通路のみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に順タンブル渦流を形成する一方、機関部分負荷運転時には、前記スロットルバルブを閉じると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁のうち少なくとも新気制御弁を開いて、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートのみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に逆タンブル渦流を形成する制御を行う
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。 - 前記ピストン冠面の吸気側であって燃料噴射弁の先端噴孔と点火プラグの先端電極とが臨む位置に、凹所を形成した
ことを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。 - 前記燃料噴射弁を、その先端噴孔が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該吸気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設し、
前記点火プラグを、その先端電極が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該排気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。 - 前記新気導入通路は、前記排気還流通路の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延び、一端部は大気に開放され、他端部は閉塞された新気導入管と、該新気導入管から分岐した複数の新気導入分岐管とから構成され、
各新気導入分岐管は、各排気還流通路の排気還流制御弁近傍の上部壁に連通され、
各新気導入分岐管には、前記新気制御弁が介装される
ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。 - 各気筒毎に設けた２つの排気還流通路の基端部を合流させて一体化して形成した単一の排気還流管を設け、
前記新気導入分岐管を、前記単一の排気還流管の前記合流部に連通し、
前記排気還流管の前記合流部に排気還流制御弁を介装し、
前記新気導入分岐管に新気制御弁を介装した構成とした
ことを特徴とする請求項４記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。 - 前記コントロールユニットは、機関部分負荷運転時において、排気還流領域では前記排気還流制御弁を開く一方、排気還流領域外では前記排気還流制御弁を閉じる制御を行う
ことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。 - 燃焼室内に燃料を直接噴射して火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、
前記排気還流通路に連通される新気導入通路と、
を含んで構成され、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状に形成され、
所定の運転状態時に、前記吸気ポート上流側に配設されたスロットルバルブを閉じると共に、前記排気ポートからの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートを介して燃焼室に導入し、燃焼室内の吸気流れが、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気が点火プラグ近傍に配置する向きである逆タンブル渦流を形成する
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP17892096A JP3591141B2 (ja) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 |
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