JP3660252B2 - 気筒内直噴内燃機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓により着火するようにした気筒内直噴内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
上記気筒内直噴内燃機関により混合気の成層化を図り超希薄燃焼を行う場合、気筒内への燃料の噴射タイミングを機関の圧縮行程に設定する。この場合、燃料は噴射後、着火するまでの間に燃焼室内で十分に拡散する時間がないため、成層化は達成し易いものの、燃料が着火までに十分には霧化せず、その燃焼が良好でなくなり、機関の出力低下や燃費悪化、エミッション増加等を招いてしまうといった、直噴内燃機関ゆえの問題がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そこで上記問題を解決するために、高温の排ガスを気筒内に戻すことによって噴射燃料の霧化を促進させることが考えられるが、その排ガスが排気還流通路を流れる間に温度低下したのでは、排気還流による所期の効果が十分には期待できず、寧ろ燃焼が不安定となる虞れがある。
【0004】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、従来の直噴内燃機関が有する上記問題を解決して超希薄燃焼による完全燃焼が達成され、機関出力の向上を図りながら低燃費と、HC、NOx等のエミッション低減を図ることができる気筒内直噴内燃機関を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、気筒内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓により着火するようにした気筒内直噴内燃機関において、気筒内で生じた燃焼ガスを該気筒から排気チャンバに一旦取り入れると共に、高温状態のまま同チャンバから気筒内に戻す排気還流手段を備え、その排気還流手段が、気筒内と排気チャンバとの間を接続すべく、機関本体の外面に略沿わせるように曲げられて配設される排気還流通路と、気筒内と排気チャンバとの間の燃焼ガスの流れを制御すべく、該排気還流通路の気筒側の開口部を開閉可能として機関本体のシリンダヘッドに設けられる排気還流弁とを有しており、 その排気還流弁は、シリンダヘッド上方より見て、排気弁とは気筒の周方向に隣接した位置に、また吸気弁とは気筒の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置されることを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例について説明する。
【0007】
図1〜図4は、本発明を直噴4気筒機関に適用した実施例を示すもので、図1は、内燃機関の概略横断面図、図2は、図1の2−2線断面図、図3は、同機関の吸、排気弁及び排気還流弁の開閉タイミング図、図4は、同機関の指圧線図である。
【0008】
先ず、図1、図2において、内燃機関Eの機関本体EBは、シリンダブロック20と、その上端に結合されるシリンダヘッド11とを備えており、シリンダブロック20は、4本の気筒を備え、これらを左から第1〜第4気筒C1 〜C4 と呼ぶ。
【0009】
全気筒C1 〜C4 は同一の構成であるので、それらを代表して第1気筒C1 の構成について説明する。気筒C1 には、ピストンPが摺動可能に嵌合され、そのピストンPの頂面には、半球状の凹所Pcが形成される。このピストンPの頂面とシリンダヘッド11の底面との間には燃焼室10が画成される。
【0010】
また気筒C1 は、その燃焼室10天井面(シリンダヘッド11の底面)にそれぞれ開口し且つ気筒配列方向に並ぶ各1本の吸気ポート1及び排気ポート2と、1本の排気還流ポート3とを有する。吸気ポート2は、これを通って気筒C1 〜C4 内に吸入される新気に矢印12のようなスワールを与えるよう下流端が屈曲しており、この屈曲部がスワール生起手段を構成する。また気筒C1 は、その燃焼室10の天井面に電極部4aを臨ませる点火栓4を有する。この点火栓4による点火は第1気筒C1 、第3気筒C3 、第4気筒C4 、第2気筒C2 の順序で行われる。
【0011】
吸気ポート1及び排気ポート2は、吸気ポート1には、その上流部において、吸気の流量を制御する吸気絞弁19が設けられる。また排気ポート2は、その下流端が排気管(図示せず)と接続される。
【0012】
各気筒C1 〜C4 の排気還流ポート3、3‥は、各気筒C1 〜C4 の一側において機関本体EBの一側面に沿うように配設される円筒状の共通の排気チャンバ15に接続される。この場合、排気還流通路としての各排気還流ポート3の中間部は、機関本体EBの一側面の略沿うように円弧状に曲げられる。
【0013】
吸気ポート1及び排気ポート2は、機関本体EBの他側、即ち排気チャンバ15と反対側にそれぞれ延びており、それら吸気ポート1及び排気ポート2は、それらの燃焼室10側の開口端が吸気弁6及び排気弁7によりそれぞれ開閉される。また排気還流ポート3は、それの燃焼室10側の開口部が、シリンダヘッド11に設けた電磁式の排気還流弁8により開閉される。
【0014】
その排気還流弁8は、図1からも明らかな如く機関本体EBのシリンダヘッド上方より見て、排気弁7とは各気筒C 1 〜C 4 の周方向に隣接した位置に、また吸気弁6とは各気筒C 1 〜C 4 の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置される。このように排気還流弁8が、機関運転時に高温となる排気弁サイド(即ち排気弁7の近く)に配設されることで、燃焼室10と排気還流ポート3との間を出入りするEGRガスが常に高温に保たれ、しかもその高温のEGRガスを吸気弁7から燃焼室10内に流入した吸気流と対向させて正面衝突させ易くすることができるから、吸気流中の燃料の霧化が促進されて燃焼効率が 効果的に高められ、燃費節減や排ガス中のエミッション低減が図られる。
【0015】
而して排気還流通路としての各排気還流ポート3、並びに前記排気還流弁8及び前記排気チャンバ15は、互いに協働して本発明の排気還流手段EGRを構成する。
【0016】
また前記排気還流弁8は、図2に示すように、排気ポート2とは反対側に傾斜して配設されると共に、シリンダヘッド11内に形成される機関冷却用の冷却水通路Wに近接配置される。
【0017】
またシリンダヘッド11には、気筒C1 の圧縮行程で該気筒C1 内に燃料を噴射させる燃料噴射弁14と、点火栓4と、排気還流弁8とが燃焼室10にそれぞれ臨んで装着される。その際、燃料噴射弁14、点火栓4及び排気還流弁8は、この順序で前記スワールの方向12に沿って配置される。
【0018】
而して燃料噴射弁14は、排気チャンバ15と排気ポート2との間に在って、排気チャンバ15側に傾斜しており、またその燃料噴射弁14の燃料噴射部14aは、吸気ポート1の燃焼室10開口部に近接配置されていて、ピストンP頂部の凹所Pc内に指向するよう気筒軸線に対し傾斜しており、また点火栓4は、その電極部4aが前記凹所Pcの直上に位置するように配設されている。
【0019】
前記吸気弁6及び排気弁7はクランク軸から2分の1の減速比で駆動される動弁カム軸(図示せず)により開閉駆動されるもので、それら吸気弁6及び排気弁7の開閉タイミングと、前記排気還流弁8の開閉タイミングとを図3により説明する。
【0020】
吸気弁6及び排気弁7の開閉タイミングは従来一般のものと変わらない。即ち、吸気弁6は、排気行程の終期から開き始め、吸気行程の中間点で最大に開き、圧縮行程の初期で閉じる。また排気弁7は、膨脹行程の終期から開き始め、排気行程の中間点で最大に開き、吸気行程の初期に閉じる。
【0021】
一方、排気還流弁8は、機関Eの1サイクル中、2回の開閉制御が行われる。その1回目では、該弁8は、膨脹行程の後半、望ましくは排気弁7の開弁に先立って開き始め、排気行程初期の下死点BDCまたはその近傍で閉じ、2回目では、該弁8は、圧縮行程初期の下死点BDCまたはその近傍で開き始め、圧縮行程の中間点、望ましくは吸気弁6の閉弁後に閉じる。
【0022】
次にこの実施例の作用について説明する。
【0023】
機関Eは各気筒C1 〜C4 の吸、排気弁6、7の前述のような開閉により、吸気行程では吸気ポート1を通して混合気を各気筒C1 〜C4 内に吸入させ、この混合気を次の圧縮行程で圧縮し、この圧縮行程の終期で点火栓4の火花放電により混合気に点火して膨脹行程に移り、次いで排気行程に移り、以後同様の作動が繰返される。
【0024】
ところで、各膨脹行程の後半には排気弁7の開弁に先立って排気還流弁8が開き始め、その直後の下死点BDCまたはその近傍で閉じるので、その間に燃焼ガスの一部が排気還流ポート3を通して排気チャンバ5に導入され、蓄えられる。而して、膨脹行程後半での燃焼ガスは未だ比較的高い圧力を有するので、その圧力をもって排気チャンバ5への該ガスの供給を確実に行うことができる。しかも、図4の指圧線図に示すように、膨脹行程後半における燃焼ガスの排気チャンバ5への供給による気筒1内の圧力降下は極めて小さく、したがってそれによる出力低下は無視し得る程度のものである。
【0025】
このように排気チャンバ5に蓄えられた燃焼ガスは、次の圧縮行程前半に排気還流弁3が開いたとき、排ガスとなってそれ自身の圧力をもって対応する気筒C1 〜C4 内に還流する。而して、この排ガスは、元々比較的高い圧力を有するので、圧縮行程前半でも、気筒C1 〜C4 内に確実に流入し、外側が排ガス、内側が混合気という排ガス及び混合気の成層化を生じさせる。このため、アンチノッキング性が向上するので、高圧縮比化を可能にして燃費の低減を図ることができる。また排ガスは、排気チャンバ5に蓄えられてから気筒C1 〜C4 内に還流するまで、温度降下が極めて少なく、高温状態を維持しているので、この排ガスにより内側の混合気の霧化を促進し、混合気の良好な燃焼に寄与し、排ガス中のHCのみならず、NOxの含有量を効果的に減少させる。
【0026】
また圧縮行程での高温、高圧の排ガスの還流によれば、図4の指圧線図に示すように気筒C1 〜C4 内の実圧縮圧力を上昇させることができ、これによって出力を向上させ、燃費の更なる低減をもたらすことができる。
【0027】
また本実施例では、全気筒C1 〜C4 の排気還流ポート3、3‥に共通の排気チャンバ15が接続されるため、排気チャンバ15の内圧の変動を少なくして、該チャンバ15から各気筒C1 〜C4 への排気還流圧力、したがって還流量を略一定にすることができる。 更に本実施例によれば、燃料噴射弁14から噴射された燃料は対応する気筒C1 〜C4 内の新気のスワールに導かれて点火栓4周りに到達し易くなるので、排気還流ポート3から気筒C1 〜C4 への排ガス還流量を多くしても、還流排気と混合気の成層化が確実となる。
【0028】
以上のように本実施例の気筒内直噴内燃機関Eにおいては、気筒C1 〜C4 内で生じた燃焼ガスを比較的大容量の排気チャンバ15に一旦取り入れてから気筒C1 〜C4 内へ戻す排気還流手段EGRを備えており、その排気チャンバ15自体が大きなヒートマスとなって還流排気を十分に保温しつつ、高温状態のまま気筒C1 〜C4 内に戻すことができるため、気筒C1 〜C4 内へ噴射された燃料を十分に霧化させることができる。しかも、燃焼室10内に生じたスワール新気流により霧化燃料が点火栓4の電極部4aに確実に到達することから、気筒内直噴内燃機関であるにも拘わらず良好な燃焼状態が得られて、超希薄燃焼による完全燃焼が達成され、従って、機関出力の向上を図りながら低燃費とエミッション低減を図ることができる。
【0029】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、気筒内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓により着火するようにした気筒内直噴内燃機関において、気筒内で生じた燃焼ガスを該気筒から排気チャンバに一旦取り入れると共に、高温状態のまま同チャンバから気筒内へ戻す排気還流手段を備えるので、その排気チャンバ自体がヒートマスとなって還流排気を十分に保温しつつ、その還流排気を高温状態のまま気筒内に迅速に戻すことができ、従って気筒内へ噴射された燃料を十分に霧化させることができるから、気筒内直噴内燃機関であるにも拘わらず良好な燃焼状態が得られる。その結果、超希薄燃焼による完全燃焼が達成され、機関出力の向上を図りながら低燃費と、HC、NOx等のエミッション低減を図ることができる。
【0030】
また特に排気還流通路が、機関本体の外面に略沿わせるように曲げられて配設されるので、機関本体からの熱を利用して排気還流通路の温度低下を極力抑えることができ、これにより、還流排気をより高温に保つことができて、燃料の霧化が一層促進される。その上、排気還流通路の気筒側開口部を開閉可能として機関本体のシリンダヘッドに設けられる排気還流弁が、シリンダヘッド上方より見て、排気弁とは気筒の周方向に隣接した位置に、また吸気弁とは気筒の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置されるので、この排気還流弁を機関運転時に高温となる排気弁サイド(近傍)に配設できて、気筒内と排気還 流通路との間を出入りするEGRガスを一層高温に保つことができ、しかもその高温のEGRガスを吸気弁から気筒内に流入した吸気流と対向させて正面衝突させ易くすることができるから、吸気流中の燃料の霧化が一層促進されて燃焼効率がより効果的に高められ、更なる低燃費、エミッション低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を直噴4気筒機関に適用した実施例を示す内燃機関の概略横断面図
【図2】 図1の2−2線断面図
【図3】 同機関の吸、排気弁及び排気還流弁の開閉タイミング図
【図4】 同機関の指圧線図
【符号の説明】
C1 〜C4 気筒
E 内燃機関
EB 機関本体
EGR 排気還流手段
P ピストン
Pc 凹所
1 吸気ポート
2 排気ポート
3 排気還流ポート(排気還流通路)
6 吸気弁
7 排気弁
8 排気還流弁
10 燃焼室
11 シリンダヘッド
15 排気チャンバ
Claims (1)
- 気筒(C1 〜C4 )内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓(4)により着火するようにした気筒内直噴内燃機関において、
気筒(C1 〜C4 )内で生じた燃焼ガスを該気筒(C1 〜C4 )から排気チャンバ(15)に一旦取り入れると共に、高温状態のまま同チャンバ(15)から気筒(C1 〜C4 )内に戻す排気還流手段(EGR)を備え、
その排気還流手段(EGR)が、気筒(C 1 〜C 4 )内と排気チャンバ(15)との間を接続すべく、機関本体(EB)の外面に略沿わせるように曲げられて配設される排気還流通路(3)と、気筒(C 1 〜C 4 )内と排気チャンバ(15)との間の燃焼ガスの流れを制御すべく、該排気還流通路(3)の気筒(C 1 〜C 4 )側の開口部を開閉可能として機関本体(EB)のシリンダヘッド(11)に設けられる排気還流弁(8)とを有しており、
その排気還流弁(8)は、シリンダヘッド(11)上方より見て、排気弁(7)とは気筒(C 1 〜C 4 )の周方向に隣接した位置に、また吸気弁(6)とは気筒(C 1 〜C 4 )の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置されることを特徴とする、気筒内直噴内燃機関。
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