JP4229913B2 - 排気還流装置付き内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内での混合気の燃焼時、ＮＯｘの発生を抑えるために、排ガスの一部を気筒内の混合気に混入するようにした排気還流装置を備えた内燃機関に関する。

従来、かかる排気還流装置として、気筒内部と排気チャンバとの間を結ぶ排気還流ポートに排気還流弁を設け、該弁を排気行程で開弁して排気の一部を排気チャンバに一次取り出し、次いで圧縮行程で再び該弁を開弁して排気チャンバから気筒へ先の排気を還流させるようにしたものが知られている（例えば下記の特許文献１を参照）。
特開昭５４−７７８２８号公報

しかしながら、上記のように排気行程で排気還流弁を開弁することにより排気チャンバに取り出した排ガスの圧力は比較的低く、このため次の圧縮行程において排気還流弁を開弁しても、気筒への排気還流は充分に行われず、所期の効果を達成することが困難であることが本発明者等によって究明された。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、圧縮行程における気筒内への排気還流を確実に行ない得て、ＮＯｘの発生を抑えつつ出力向上及び燃費低減を図ることができる、排気還流装置付き内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、機関本体には、その長手方向に沿って並列配置された複数の気筒と、その各気筒に対応した燃焼室天井面の一側に開口する吸気ポートと、同天井面の他側にそれぞれ開口し且つ気筒配列方向に並ぶ第１，第２排気ポートとが形成され、前記複数の気筒の各第２排気ポートには、機関の低速運転域では閉弁し且つ高速運転域では開弁する開閉弁が設けられ、その開閉弁より上流側で各第２排気ポートと常時連通する、全気筒に対し共通の排気チャンバが、各気筒の第１，第２排気ポートに連なり且つ機関本体の一側方に延出する排気管群の下側において、機関本体の長手方向に沿って延びるように配設され、各気筒の第１排気ポートの上流端には、その各気筒の排気行程で開弁する第１排気弁が設けられ、また各気筒の第２排気ポートの上流端には、機関の高速運転域では前記第１排気弁と同様の開閉タイミングで開閉するが機関の低速運転域では各気筒の膨脹行程後半及び圧縮行程前半に開弁期間を持つ排気還流用開閉タイミングで開閉する第２排気弁が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、機関の低速運転域では、第２排気ポートが開閉弁で閉じられると共に、膨脹行程の後半で第２排気弁（排気還流弁）が開弁することにより、気筒内の極めて小さい圧力降下を伴なうだけで、燃焼ガス、即ち高温、高圧の排ガスを第２排気ポートから排気チャンバ内に取り入れることができ、従って、次いで圧縮行程で第２排気弁（排気還流弁）を再び開弁したとき、先の高温、高圧の排ガスを気筒内に確実に還流させて、排気ガス及び混合気の成層化を生じさせ、アンチノック性を向上させることができ、これにより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に取入れられてから第２排気ポートを経て気筒に還流するまでに、温度降下が極めて少なく、高温状態を維持するので、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ことができる。さらに、圧縮行程での高温、高圧の排ガスの還流によって、気筒内の実圧縮圧力を上昇させ、燃費の更なる低減をもたらすことができる。

また機関が高速運転域に入ると、開閉弁が開かれると共に、第２排気弁（排気還流弁）も第１排気弁と同様に本来の排気用開閉タイミングで開閉されるので、排ガスの還流は停止され、各気筒は両排気ポートを通して排ガスをスムーズに排出し得るようになり、排気抵抗を減少させて高出力を図ることができる。その上、第２排気ポートの上流端を開閉する第２排気弁が排気還流弁を兼ねることから、燃焼室天井面に排気還流弁専用の開口を特別に設ける必要はなくなり、吸，排気ポートの燃焼室天井面への開口部を大きく形成することが可能である。

本発明の実施の形態を、添付図面に例示した参考例及び本発明の実施例に基づいて以下に具体的に説明する。

図１〜図３は、第１参考例を示すもので、図１は、内燃機関の概略横断面図、図２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３は、同機関の指圧線図である。また図４は、第２参考例を示す内燃機関の概略横断面図であり、図５と図６は、第３参考例を示す内燃機関の概略横断面図と同機関の排気還流タイミング図である。さらに図７は、第４参考例を示す内燃機関の概略平面図、図８は図７の８−８線断面図である。さらにまた図９と図１０は、第５参考例を示す内燃機関の概略横断面図と同機関の吸、排気弁の開閉タイミング図である。さらにまた図１１と図１２は、本発明の実施例を示す内燃機関の概略横断面図と同機関の吸、排気弁の開閉タイミング図である。

先ず図１ないし図３に示す第１参考例より説明する。図１において、内燃機関の機関本体Ｅ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。

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 は、その燃焼室天井面の一側及び他側にそれぞれ並列して開口する各一対の第１，第２吸気ポート１₁ ，１₂ 及び第１，第２排気ポート２₁ ，２₂ と、１本の排気還流ポート３とを有し、排気還流ポート３は両排気ポート２₁ ，２₂ 間の中央に配置される。また気筒Ｃ₁ は、その燃焼室天井面の中心部に電極を臨ませる点火栓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。

両吸気ポート１₁ ，１₂ は、それらの上流で合流して共通のスロットルボディ及びエアクリーナ（いずれも図示せず）と接続され、また各吸気ポート１₁ ，１₂ には燃料噴射ノズル（図示せず）が設けられる。排気ポート２₁ ，２₂ は、それらの下流で合流して共通の排気管（図示せず）と接続される。各排気還流ポート３には排気チャンバ５が個別に接続される。

吸気ポート１₁ ，１₂ 及び排気ポート２₁ ，２₂ は、各一対の第１，第２吸気弁６₁ ，６₂ 及び第１，第２排気弁７₁ ，７₂ によりそれぞれ開閉され、排気還流ポート３は排気還流弁８により開閉される。

これら吸気弁６₁ ，６₂ 、排気弁７₁ ，７₂ 及び排気還流弁８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、それらの開閉タイミングを図２により説明する。

吸気弁６₁ ，６₂ 及び排気弁７₁ ，７₂ 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６₁ ，６₂ 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７₁ ，７₂ 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。

一方、排気還流弁８は、機関の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７₁ ，７₂ 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６₁ ，６₂ の閉弁後に閉じる。

次にこの参考例の作用について説明する。

機関は各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の吸、排気弁６₁ ，６₂ ，７₁ ，７₂ の前述のような開閉により、吸気行程では吸気ポート１₁ ，１₂ ，２₁ ，２₂ 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。

ところで、各膨脹行程の後半には排気弁７₁ ，７₂ 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３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。

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８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。

また圧縮行程での高温、高圧の排ガスの還流によれば、図３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。

図４は第２参考例を示すもので、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を接続した点を除けば、前参考例と同様の構成であり、図中、前参考例と対応する部分にはそれと同一の符号を付す。

この参考例によれば、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、従って還流量を略一定にすることができる。

図５は第３参考例を示すもので、第１気筒Ｃ₁ の排気還流ポート３及び第４気筒Ｃ₄ の排気還流ポート３を通路２５₁ を介して相互に連通し、また第２気筒Ｃ₂ の排気還流ポート３及び第３気筒Ｃ₃ の排気還流ポート３を通路２５₂ を介して相互に連通して、排気チャンバを廃止した点を除けば第１参考例と同様の構成である。図中、第１参考例と対応する部分にはそれと同一の符号を付す。

而して、第１気筒Ｃ₁ と第４気筒Ｃ₄ 、第２気筒Ｃ₂ と第３気筒Ｃ₃ はそれぞれ膨脹行程と圧縮行程が時間的に隣接しているので、図６の排気還流タイミング図から明らかなように、通路２５₁ ，２５₂ を介して交互に燃焼ガスを供給し合うことになる。尚、図６中Ａは燃焼ガスの取り出しを意味し、Ｂは同ガスの還流を意味する。したがって還流すべき排ガスが気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₂ 外に滞留する時間は短くなり、これにより温度降下を最小限に食い止め、実圧縮圧力を高めると共に、還流排ガスによる混合気の霧化を一層促進することができる。

図７及び図８は第４参考例を示す。この参考例は、直噴４気筒機関に適用したものである。全気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の燃焼室１０，１０‥天井を形成するシリンダヘッド１１には、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 毎に１本の吸気ポート２及び排気ポート３が形成され、その吸気ポート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いる。

またシリンダヘッド１１には、燃料噴射弁１４、点火栓４及び排気還流弁８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。

各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の排気還流ポート３，３‥は共通の排気チャンバ１５に接続され、各排気還流ポート３を開閉する排気還流弁１８は電磁式に構成される。

尚、図中１９は絞弁を示す。

この参考例によれば、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。

図９及び図１０は第５参考例を示す。図９において、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は、前記第１参考例と同様に、各一対の第１，第２吸気ポート１₁ ，１₂ 及び第１，第２排気ポート２₁ ，２₂ 、並びに第１，第２吸気弁６₁ ，１６₂ 及び第１，第２排気弁７₁ ，７₂ を備えるが、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の第２吸気ポート１₂ には開閉弁２０が設けられ、この開閉弁２０より下流の該吸気ポート１₂ に、共通の排気チャンバ１５に至る排気還流ポート１３が接続される。

上記開閉弁２０は、これを機関の所定の低速運転域で閉じ、所定の高速運転域で開くように作動装置２１に連結される。

また図１０に示すように、第１吸気弁６₁ 及び両排気弁７₁ ，７₂ は、図示しない動弁装置により、常時、通常通りの開閉タイミングが与えられるが、第２吸気弁１６₂ は、図示しない可変タイミング式動弁装置により、前記低速運転域で第１参考例の排気還流弁８と同様の開閉タイミングが与えられる。

而して、機関の所定の低速運転域では、開閉弁２０が閉じられ、第２吸気弁１６₂ は、排気還流用開閉タイミングで開閉されるので、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は第２吸気ポート１₂ の下流部及び排気還流ポート１３を通して排気チャンバ１５との間で燃焼ガス、即ち排ガスの授受を行う。

機関が所定の高速運転域に入ると、開閉弁２０が開かれると同時に、第２吸気弁１６₂ も第１吸気弁６₁ と同様に本来の吸気用開閉タイミングで開閉されるので、排ガスの還流は停止され、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は両吸気ポート１₁ ，１₂ を通して新気を吸入するようになり、高充填効率を得て高出力を発揮することができる。

この参考例によれば、第２吸気弁１６₂ が排気還流弁を兼ねることから、吸，排気ポートの燃焼室天井面への開口部を大きく形成して、高充填効率化を図ることができる。

図１１及び図１２は本発明の実施例を示す。図１１において、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は、第１参考例と同様に、各一対の第１，第２吸気ポート１₁ ，１₂ 及び第１，第２排気ポート２₁ ，２₂ 、並びに第１，第２吸気弁６₁ ，６₂ 及び第１，第２排気弁７₁ ，１７₂ を備えるが、各気筒の第２排気ポート２₂ には開閉弁２０が設けられ、この開閉弁２０より上流の該第２排気ポート２₂ に、共通の排気チャンバ１５に至る排気還流ポート１３が接続される。

上記開閉弁２０は、これを機関の所定の低速運転域で閉じ、所定の高速運転域で開くように作動装置２１に連結される。

また図１２に示すように、両吸気弁１６₁ ，１６₂ 及び第１排気弁７₁ は、図示しない動弁装置により、常時、通常通りの開閉タイミングが与えられるが、第２排気弁１７₂ は、排気還流弁を兼ねるものであって、機関の所定の低速運転域では、図示しない可変タイミング式動弁装置により、前記低速運転域で第１参考例の排気還流弁８と同様の開閉タイミングが与えられ、一方、機関の所定の高速運転域では、第１排気弁７ ₁ と同様の排気用開閉タイミングで開閉される。

而して、機関の所定の低速運転域では、開閉弁２０が閉じられ、第２排気弁１７₂ は排気還流用開閉タイミングで開閉されるので、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は、第２排気ポート２₂ の上流部及び排気還流ポート１３を通して排気チャンバ１５との間で燃焼ガス、即ち排ガスの授受を行う。

機関が所定の高速運転域に入ると、開閉弁２０が開かれると同時に、第２排気弁１７₂ も第１排気弁７₁ と同様に本来の排気用開閉タイミングで開閉されるので、排ガスの還流は停止され、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は両排気ポート２₁ ，２₂ を通して排ガスをスムーズに排出し得るようになり、排気抵抗を減少させて高出力を図ることができる。

この実施例によっても、第２排気弁１７₂ が排気還流弁を兼ねることから、吸，排気ポートの燃焼室天井面への開口部を大きく形成することが可能である。

第１参考例を示す内燃機関の概略横断面図。 同機関の吸、排気弁及び排気還流弁の開閉タイミング図。 同機関の指圧線図。 第２参考例を示す内燃機関の概略横断面図。 第３参考例を示す内燃機関の概略横断面図。 同機関の排気還流タイミング図。 第４参考例を示す内燃機関の概略平面図。 図７の８−８線断面図。 第５参考例を示す内燃機関の概略横断面図。 同機関の吸、排気弁の開閉タイミング図。 本発明の実施例を示す内燃機関の概略横断面図。 同機関の吸、排気弁の開閉タイミング図。

符号の説明

Ｅ 機関本体
Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 気筒
１ ₁ ，１ ₂ 第１，第２吸気ポート（吸気ポート）
２ ₁ 第１排気ポート
２ ₂ 第２排気ポート
７ ₁ 第１排気弁
１３ 排気還流ポート
１５ 排気チャンバ
１７ ₂ 第２排気弁
２０ 開閉弁

Claims (1)

1. 機関本体（Ｅ）には、その長手方向に沿って並列配置された複数の気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）と、その各気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）に対応した燃焼室天井面の一側に開口する吸気ポート（１ ₁ ，１ ₂ ）と、同天井面の他側にそれぞれ開口し且つ気筒配列方向に並ぶ第１，第２排気ポート（２ ₁ ，２ ₂ ）とが形成され、
   前記複数の気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の各第２排気ポート（２ ₂ ）には、機関の低速運転域では閉弁し且つ高速運転域では開弁する開閉弁（２０）が設けられ、
   その各開閉弁（２０）より上流側で各第２排気ポート（２ ₂ ）と常時連通する、全気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）に対し共通の排気チャンバ（１５）が、各気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の第１，第２排気ポート（２ ₁ ，２ ₂ ）に連なり且つ機関本体（Ｅ）の一側方に延出する排気管群の下側において、機関本体（Ｅ）の長手方向に沿って延びるように配設され、
   各気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の第１排気ポート（２ ₁ ）の上流端には、その各気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の排気行程で開弁する第１排気弁（７ ₁ ）が設けられ、
   また各気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の第２排気ポート（２ ₂ ）の上流端には、機関の高速運転域では前記第１排気弁（７ ₁ ）と同様の開閉タイミングで開閉するが機関の低速運転域では各気筒（Ｃ₁ 〜Ｃ₄ ）の膨脹行程後半及び圧縮行程前半に開弁期間を持つ排気還流用開閉タイミングで開閉する第２排気弁（１７ ₂ ）が設けられることを特徴とする、排気還流装置付き内燃機関。

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