JP4254614B2

JP4254614B2 - 予混合圧縮自着火機関

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Publication number: JP4254614B2
Application number: JP2004148254A
Authority: JP
Inventors: 裕史葛山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: JP2005330843A

Description

本発明は、予混合圧縮自着火機関に関する。

従来の内燃機関は大きく分けると、ＳＩ（Spark Ignition）エンジンと、ディーゼルエンジンの２つである。しかし、ＳＩエンジンはリーン化で熱効率向上が可能だが、火炎伝播可能な当量比に限界があるため、スロットルによる空気量の調整が必要で熱効率はディーゼルエンジンより劣る。また、ディーゼルエンジンは、熱効率は良いが十分な混合がなされないため、局所高温燃焼によりＮＯｘが発生し易く、局所リッチで煤が発生し易い。

これらのエンジンと比較して、予混合圧縮自着火機関は予混合するため、局所の高温やリッチが発生する可能性が小さく、低ＮＯｘで煤の発生はほとんど無い。また、化学変化による着火のため、当量比に対する依存度がＳＩエンジンよりも少ないため、大幅なリーン化が可能でありディーゼルエンジン並の熱効率を得ることができる。これらの長所を備えた予混合圧縮自着火機関が注目されている。予混合圧縮自着火燃焼は、熱が十分すぎると急激な燃焼となり、逆に、熱が足りないと失火してしまうため、現行のエンジンと比較して失火やノック・過早着火等が発生し易くなり、運転可能範囲が狭くなり易いという問題がある。

ノッキング等の異常燃焼を抑制する予混合圧縮自着火燃焼を行わせるため、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめるようにした予混合圧縮自着火機関が提案されている（特許文献１参照。）。そして、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめる方法として、気筒内の燃料分布を不均一な状態とすること、環流ガスが気筒内で不均一な分布状態となるようにすること等が提案されている。

また、ガソリンエンジンにおいて安定した圧縮自着火燃焼を行わせるために、排気ポートから排気ガスを燃焼室内に逆流させるとともに、その逆流排気ガスを燃焼室の外周に沿って流入させることが提案されている（特許文献２参照。）。具体的には、図１２に示すように、燃焼室６１に連通する第１吸気ポート６２及び第２吸気ポート６３と、燃焼室６１に連通する第１排気ポート６４及び第２排気ポート６５とを備えている。各ポートの開口部６２ａ，６３ａ，６４ａ，６５ａは、それぞれ図示しない弁により開閉されるようになっている。第１吸気ポート６２には燃料噴射弁６６が設けられ、第２吸気ポート６３には開閉弁６７が設けられている。燃焼室６１の中心と対応する位置に点火プラグ６８が設けられている。

第２排気ポート６５は、第１排気ポート６４と同様に排気行程において既燃焼ガスを排出するが、吸気行程の途中において一時排気ガスが燃焼室６１に逆流するように弁が開閉制御される。第２排気ポート６５は逆流排気ガスが燃焼室６１の外周方向に沿って流入するように、かつ第１吸気ポート６２から流入する燃料が燃焼室６１の中心部に向かって流入する邪魔にならないように設けられている。そして、燃焼室６１の外周部領域に逆流排気（内部ＥＧＲ）が主として分布し、燃焼室６１の中心部領域に燃料と空気との混合気が分布する状態になっている。
特開２００２−２４２７２７号公報（明細書の段落［０００８］〜［００１１］、図１）特開平１１−２６４３１９号公報（明細書の段落［００１３］〜［００１５］、図２）

予混合圧縮自着火燃焼において、気筒内の温度ムラや混合気ムラは確かに燃焼状態に影響を与えるが、ムラの状態によってはノッキングから一気に失火する可能性もある。特許文献１には、具体的な気筒内混合気の状態に関して記載がない。一方、特許文献２に記載されたように、燃焼室の中心部に混合気を集め、燃焼室の壁面に沿うように内部ＥＧＲの逆流排気ガス（以下、単に内部ＥＧＲガスと言う。）を流入させる方法においては、予混合圧縮自着火燃焼を安定して行うことができる。ところで、内部ＥＧＲガスは既燃焼ガスのため燃えないので、内部ＥＧＲガス量はできるだけ少なくしたい。しかし、内部ＥＧＲガスを燃焼室の壁面に沿うように流入させる特許文献２の方法では、燃焼室の壁面は冷却水等の冷却効果で中心部より低くなっているため、内部ＥＧＲガスの温度が下がり易くなり、低負荷での運転時に燃焼が不安定になる虞がある。また、そのため、内部ＥＧＲガス量を少なくするのが難しく、その分、燃焼室に供給する混合気の量を多くすることができない。従って、内部ＥＧＲガスを燃焼室の壁面側に集める方法では、広い負荷範囲において安定して予混合圧縮自着火燃焼をおこなうのは難しい。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲを使用して、広い負荷範囲において安定した予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる予混合圧縮自着火機関を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関である。吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ手段が設けられ、前記燃焼室に逆流する排気ガスが前記燃焼室の径方向における中心部側に流入するように排気吸入ポートが設けられている。吸気ポートから前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の径方向における中心部側に流入した排気ガスの外側となるように吸気ポートが設けられている。そして、前記吸気ポートは２個設けられ、第１吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れとなるように該燃焼室に酸素含有ガスを供給し、第２吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れでかつ、第１吸気ポートからの吸気ガスと前記排気ガスの間になるように該燃焼室に燃料と酸素含有ガスとの混合気を供給する。ここで、「吸気」とは、燃焼室に接続された吸気ポートから燃焼室に供給される気体を意味し、空気等の含有酸素ガスに限らず、それらと燃料ガスとの混合気をも含む。

この発明では、内部ＥＧＲ手段により吸気行程の途中において排気ガスの一部が排気ポートから燃焼室内に逆流される。燃焼室内に逆流される排気ガス（内部ＥＧＲガス）は、燃焼室の中心部側に流入し、吸気ポートから燃焼室に供給される吸気は排気ガスの外側となるように供給されて、内部ＥＧＲガスが内側となる成層状態で圧縮行程において圧縮される。そして、内部ＥＧＲガスと混合気との境界部から圧縮自着火が生じ、着火性が向上して安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。
また、混合気が内部ＥＧＲガスと酸素含有ガスとの中間に位置するサンドイッチ状の成層状態で圧縮されるため、中央部がリーンで高温な混合気、その外側がややリッチで若干温度が低い混合気、燃焼室の壁面側がほぼ酸素含有ガスに近い層になる。その結果、ピストンのクレビスに混合気が入り込むのが抑制され、予混合圧縮自着火燃焼で排出量が多いとされるＨＣ（炭化水素）やＣＯの排出量が低減され、燃焼効率が向上する。また、混合気が燃焼室の壁面に接触して温度低下するのが抑制されて熱効率が向上する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記排気ポートは２個設けられ、一方の排気ポートが前記排気吸入ポートを構成する。従って、この発明では、排気吸入ポートを内部ＥＧＲガスが燃焼室の中心部側に流入するのに適した形状に形成しても、他方の排気ポートが存在することにより、排気行程において燃焼室内の既燃焼ガスを円滑に排気することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記排気ポートは、ヘリカルポートとして設けられ、前記第１吸気ポートは、前記燃焼室の内壁面周方向に対する接線方向に延びるように形成され、前記第２吸気ポートは、上流側から前記第１吸気ポートとの間隔が徐々に拡がるように直線状に延びるとともに下流端部が前記第１吸気ポートの下流端部に近づくように屈曲されている。

本発明によれば、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲを使用して、広い負荷範囲において安定した予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図５に従って説明する。図１は予混合圧縮自着火機関の燃焼室、吸気ポート、排気ポートの関係を示す模式平面図であり、図２は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。

図２に示すように、予混合圧縮自着火機関１０（以下、単に機関と称す場合もある。）は、機関本体１１と、予混合圧縮自着火機関１０を電子制御する制御装置１２とを備えている。

機関本体１１は、複数のシリンダ１３ａ（図では１個のみ図示）が形成されたシリンダブロック１３と、シリンダヘッド１４とを備えている。各シリンダ１３ａ内にはピストン１５が往復動可能に設けられている。ピストン１５と、シリンダ１３ａ及びシリンダヘッド１４によって燃焼室１６が形成されている。ピストン１５は燃焼室１６での吸気・圧縮後の爆発燃焼から得られる推進力によってシリンダ１３ａ内を往復運動し、ピストン１５の往復運動がコンロッド１７を介して出力軸としてのクランクシャフト１８の回転運動に変換されて出力が得られる。機関本体１１は４サイクル内燃機関である。

シリンダヘッド１４には第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０と、第１の排気ポート２１と、排気吸入ポートとしての第２の排気ポート２２とが設けられている。第２の排気ポート２２はヘリカルポートとして形成されており、第２の排気ポート２２から燃焼室１６へ逆流する排気ガスが燃焼室１６の中心部に流入するように設けられている。第２の排気ポート２２は排気ガスが渦流（スワール）となって燃焼室１６に流入し易い形状に形成されているため、排気行程における排気に適した形状ではない。排気行程における排気を円滑に行うため、第１の排気ポート２１は第２の排気ポート２２より内径が大きく形成されている。

第１吸気ポート１９は、吸気（新気）が、第２の排気ポート２２から燃焼室１６内に逆流する排気ガスの流れと同方向で燃焼室１６の周壁面に沿う流れとなって供給されるように形成されている。具体的には燃焼室１６の内壁面に対する接線方向に延びるように形成されている。第２吸気ポート２０は、吸気（新気）が、第１吸気ポート１９から燃焼室１６内に供給される吸気と逆方向で燃焼室１６の周壁面に沿う流れとなるように形成されている。

各吸気ポート１９，２０には燃焼室１６に臨む開口部をそれぞれ開閉する吸気弁２３，２４が設けられ、各排気ポート２１，２２には燃焼室１６に臨む開口部をそれぞれ開閉する排気弁２５，２６が設けられている。両吸気弁２３，２４は、可変動弁機構２７により同時に開閉可能に構成されている。両排気弁２５，２６は、可変動弁機構２８により、排気行程においては同時に開閉可能に、かつ吸気行程においては第２の排気ポート２２の排気弁２６のみが吸気行程の途中においても開閉可能に構成されている。可変動弁機構２７，２８は、カムシャフト２９，３０を使用してカム３１，３２により吸気弁２３，２４あるいは排気弁２５，２６を開閉作動させる公知のバルブタイミング可変機構が使用されている。排気弁２６用のカム３２には２段カムが使用され、一つのカムで排気行程における排気弁２６の開閉と、吸気行程における排気弁２６の開閉とが可能に構成されている。第２の排気ポート２２、排気弁２６及び可変動弁機構２８により内部ＥＧＲ手段が構成されている。

シリンダヘッド１４には下流側で分岐して両吸気ポート１９，２０に繋がる吸気通路３４と、上流側で分岐して両排気ポート２１，２２に繋がる排気通路３５とがそれぞれ接続されている。吸気通路３４には分岐部より上流に燃料噴射ノズル３６が設けられ、燃料噴射ノズル３６は管路３７を介して図示しない燃料タンクに接続されている。管路３７の途中には燃料供給量を制御する電磁制御弁３８が設けられている。この実施形態では燃料として天然ガスが使用されている。また、吸気通路３４の燃料噴射ノズル３６より上流にはスロットルバルブ３９及びエアクリーナ４０が設けられている。スロットルバルブ３９はスロットルモータ（電動モータ）４１によって作動される電動式であり、スロットルバルブ３９を開度調整することにより、燃焼室１６内に供給される酸素含有ガスとしての吸入空気の流量が調整される。吸気通路３４には燃料噴射ノズル３６より上流側に、吸気通路３４内の温度を検出する温度センサ４２と、吸気流量を検出するエアフローメータ４３とが設けられている。

第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０には、燃焼室１６へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁４４ａ，４４ｂがそれぞれ設けられている。流量調整弁４４ａ，４４ｂはバタフライバルブの一種であり、アクチュエータ４５によって駆動されて全閉位置と全開位置との間で回動する。流量調整弁４４ａ，４４ｂは、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６への吸気の供給量をそれぞれ調整可能になっている。流量調整弁４４ａ，４４ｂは、第１吸気ポート１９からのみ吸気を供給する状態と、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から吸気を供給する状態とに切り替える切替手段を構成する。

予混合圧縮自着火機関１０の運転を制御する制御装置１２は、出力設定手段４６により設定された負荷及び回転速度の要求を満たした状態で機関１０が運転されるように、可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４ａ，４４ｂを制御する。

制御装置１２はマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と称す）４７を内蔵する。マイコン４７は記憶装置としてのメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭ）４８を備える。温度センサ４２、エアフローメータ４３、機関本体１１における水温を検出する水温センサ４９、機関本体１１の回転速度、即ちクランクシャフト１８の回転速度を検出する回転速度センサ５０、出力設定手段４６は、制御装置１２の入力側（入力インタフェイス）にそれぞれ電気的に接続されている。可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４ａ，４４ｂは、制御装置１２の出力側（出力インタフェイス）にそれぞれ電気的に接続されている。

制御装置１２は、各センサ類から出力される検出信号に基づいて予混合圧縮自着火機関１０の運転状態を判断し、所定の運転状態となるように可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４ａ，４４ｂを制御する。制御装置１２は、エアフローメータ４３の検出信号及び電磁制御弁３８の開度に基づいて空燃比を演算する。

メモリ４８には、温度センサ４２、エアフローメータ４３、水温センサ４９及び回転速度センサ５０の検出信号から把握される運転状態に基づいて、予混合圧縮自着火機関１０の制御のために指令すべき各種指令値（制御値）の決定に用いられるマップ、式等が記憶されている。前記マップ、式等には、例えば燃料噴射量、スロットル開度、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０からの吸気供給量を決めるマップ、式等が含まれる。

メモリ４８には、予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップが記憶されている。前記マップには図３に示すように、予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）可能な範囲が、負荷とクランクシャフト１８の回転速度との関係として、即ち負荷と機関の回転速度との関係として表されているマップＭ１がある。また、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲での機関の回転速度及び負荷に対する空燃比のマップがある。また、第１及び第２吸気ポート１９，２０からどのように吸気を供給するか、即ち流量調整弁４４ａ，４４ｂの適正調整状態を負荷及び機関の回転速度との関係で示すマップもある。これらのマップは予め試験に基づいて作成される。

制御装置１２は、前記マップＭ１に基づいて要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かを判断し、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能な場合は要求負荷及び回転速度に対応するように制御を行う。制御装置１２は、要求負荷及び回転速度に対応する予混合圧縮自着火機関１０の運転条件に基づいて吸気をどのような状態で燃焼室１６へ供給するか、即ち第１吸気ポート１９のみから、あるいは第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から供給するかを判断する。そして、判断結果に基づいて流量調整弁４４ａ，４４ｂを制御する。制御装置１２は、要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が不能な場合は、要求回転速度及び負荷に近い予混合圧縮自着火燃焼可能な運転条件、即ち要求回転速度及び負荷に近い目標回転速度及び負荷に対応する運転条件に基づいて流量調整弁４４ａ，４４ｂを制御する。

次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
制御装置１２は、水温センサ４９及び回転速度センサ５０等の検出信号から機関本体１１の運転状態を把握する。制御装置１２は、暖機完了後、出力設定手段４６で設定された要求回転速度及び負荷を満たす条件又はそれに近い条件で予混合圧縮自着火燃焼を行うように予混合圧縮自着火機関１０の運転を制御する。暖機が完了したか否かの判断は、水温センサ４９の検出信号に基づいて行われ、水温センサ４９の検出温度が暖機が完了した状態の温度以上の場合、暖機が完了したと判断する。暖機が完了した状態の温度は、予め試験により求められてメモリ４８に記憶されている。

制御装置１２は、暖機完了後、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かをマップＭ１に基づいて判断する。その判断結果に従って、要求回転速度及び負荷を満たす状態あるいは要求回転速度及び負荷に近い状態で予混合圧縮自着火燃焼運転を行うように、目標回転速度及び負荷を演算する。そして、その目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となる空燃比を演算し、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１、可変動弁機構２７，２８を制御する。また、制御装置１２は、運転条件に応じて第１吸気ポート１９からのみ吸気を供給するか、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から吸気を供給するかを判断して、運転条件に適した吸気の供給状態に流量調整弁４４ａ，４４ｂを調整するように指令信号を出力する。

第２の排気ポート２２から燃焼室１６へ逆流する排気ガス（内部ＥＧＲガス）は、一定方向の渦流（矢印Ｖ１）となって燃焼室１６の中心部に流入する。そして、第１吸気ポート１９からのみ吸気（新気）が供給され、第２の排気ポート２２から排気ガスが逆流する場合、図４（ａ）に示すように、吸気は内部ＥＧＲガスと同方向の流れ（矢印Ｙ１）となって燃焼室１６の内周に沿うように供給される。従って、内部ＥＧＲガスが中央付近（中心部付近）に集まり、その外側が新気となる成層状態となり、圧縮行程において筒内中央が高温となって、中央付近から自着火が起こり、安定して予混合圧縮自着火燃焼が行われる。第１吸気ポート１９からのみ吸気が供給されるのは、比較的低負荷のときである。

また、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両者から吸気が供給され、第２の排気ポート２２から排気ガスが逆流する場合、図４（ｂ）に示すように、第２吸気ポート２０から供給される吸気は、第１吸気ポート１９から供給される吸気と逆方向の流れ（矢印Ｙ２）となる。第２吸気ポート２０から供給される吸気は、内部ＥＧＲガスとも流れの方向が逆のため、図４（ｂ）に二点鎖線で示す範囲において混合が促進される。また、第１吸気ポート１９から供給される吸気と、第２吸気ポート２０から供給される吸気とがぶつかり合うことによっても混合が促進される。その結果、圧縮行程において吸気及び内部ＥＧＲガスが高温になった際、ホットスポットが少なくなり、燃焼が緩慢になるため、ノッキングが抑制されて予混合圧縮自着火燃焼が安定する。第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両者から吸気が供給されるのは比較的高負荷のときである。

内部ＥＧＲは吸気行程の途中で第２の排気ポート２２を開閉することで行われる。図５は可変動弁機構２７，２８のバルブタイミングの一例を示す図である。吸気弁２３，２４及び排気弁２５，２６は、排気行程から吸気行程に移る際のピストン１５の上死点（ＴＤＣ）付近において開放状態のオーバーラップが存在するように開閉時期が設定されている。また、第２の排気ポート２２を開閉する排気弁２６は、排気行程においては排気弁２５と同じタイミングで開閉されるが、吸気行程において単独で開閉される。

この実施形態では以下の効果を有する。
（１）予混合圧縮自着火機関１０は、吸気行程の途中において排気ガスの一部を燃焼室１６の中心部側に流入するように逆流させる第２の排気ポート２２を備えている。また、予混合圧縮自着火機関１０は、第２の排気ポート２２から燃焼室１６内に流入する排気ガス（内部ＥＧＲガス）の流れと同方向の流れで、該内部ＥＧＲガスの外側となるように吸気を燃焼室１６に供給する第１吸気ポート１９を備えている。従って、圧縮時に内部ＥＧＲガスと混合気との境界部から圧縮自着火が生じ、着火性が向上して安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。その結果、低負荷側に予混合圧縮自着火燃焼の運転範囲が拡大する。

（２）内部ＥＧＲガスが燃焼室１６の中心部に集められるため、圧縮された状態において、燃焼室１６中央から周壁面の間の温度の勾配が急になる。内部ＥＧＲガスと吸気とが均一に混合されると、圧縮された状態において前記温度の勾配はなだらかになり、ノッキングが発生し易くなる。しかし、この実施形態では前記のように温度の勾配が急になるため、予混合圧縮自着火燃焼においてノッキングが発生し難くなる。また、内部ＥＧＲガスが中央部に集められるため、圧縮時において混合気の温度を高めるのに必要な不燃性の内部ＥＧＲガスの量を減らすことができ、その分、空気量を増やすことができるため高負荷側へ予混合圧縮自着火燃焼の運転範囲を拡大することができる。

（３）排気ポートは２個設けられ、一方の排気ポート２２が排気吸入ポートを構成する。従って、排気吸入ポートを内部ＥＧＲガスが燃焼室１６の中心部側に流入するのに適した形状に形成しても、他方の排気ポート２１が存在することにより、排気行程において燃焼室１６内の既燃焼ガスを円滑に排気することができる。その結果、一つの排気ポートで排気と内部ＥＧＲとを行う構成に比較して、排気及び内部ＥＧＲの条件を満足できる構成が容易になる。

（４）吸気ポートは２個設けられ、第１吸気ポート１９は燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室１６内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように燃焼室１６に供給可能に構成され、第２吸気ポートは前記混合気を燃焼室１６内に流入する排気ガスの流れと逆方向の流れとなるように燃焼室１６に供給可能に構成されている。そして、第１吸気ポート１９からのみ吸気を供給する状態と、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から吸気を供給する状態とに切り替える切替手段（流量調整弁４４ａ，４４ｂ）が設けられている。従って、吸気の供給状態を運転条件に対応して切り替えることにより、広い負荷範囲にわたって安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

（５）切替手段として第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０にそれぞれ流量調整弁４４ａ，４４ｂが設けられている。従って、１個の流量調整弁で両吸気ポート１９，２０から燃焼室１６に供給される吸気の量を調整する構成に比較して、流量調整弁の構造が簡単で制御も容易となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図６〜図８に従って説明する。この実施形態は内部ＥＧＲガスが燃焼室１６の中心部に流入し、吸気がその外側に供給される点は第１の実施形態と同じであるが、吸気としての燃料と酸素含有ガスとの混合気が、内部ＥＧＲガスと、酸素含有ガスとの間になるように供給される点が第１の実施形態と大きく異なっている。前記実施形態と同一部分に関しては同一符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分について説明する。

図６は予混合圧縮自着火機関の燃焼室、吸気ポート、排気ポートの関係を示す模式平面図であり、図２は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。
第１吸気ポート１９からは酸素含有ガスが供給され、第２吸気ポート２０からは燃料と酸素含有ガスとの混合気が供給されるようになっている。そのため、燃料噴射ノズル３６は、第２吸気ポート２０の流量調整弁４４ｂより下流側に設けられている。

第１吸気ポート１９は、酸素含有ガスを燃焼室１６内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように燃焼室１６に供給するように構成されている。第１吸気ポート１９からの吸気の流れは、第２吸気ポート２０からの吸気の流れより弱いスワールとなるように供給される。図６に示すように、第１吸気ポート１９は燃焼室１６の内壁面に対する接線方向に延びるように形成されている。

第２吸気ポート２０は、燃焼室１６に供給される混合気の流れが、第１吸気ポート１９から燃焼室１６内に供給される吸気と同方向で、かつ、第１吸気ポート１９からの吸気と、第２の排気ポート２２からの内部ＥＧＲガスとの間においてスワールになるように構成されている。具体的には、第２吸気ポート２０は、図６に示すように、上流側から第１吸気ポート１９との間隔が徐々に拡がるように直線状に延び、下流端部が第１吸気ポート１９の下流端部に近づくように屈曲されている。

この実施形態では、図８に示すように、第２の排気ポート２２から燃焼室１６へ逆流する排気ガス（内部ＥＧＲガス）は、一定方向の渦流（矢印Ｖ１）となって燃焼室１６の中心部に流入する。そして、第１吸気ポート１９からは酸素含有ガスが、内部ＥＧＲガスと同方向の流れ（矢印Ｙ１）となって燃焼室１６の内周に沿うように供給される。また、第２吸気ポート２０からは燃料と酸素含有ガスとの混合気が、内部ＥＧＲガスと酸素含有ガスとの中間において内部ＥＧＲガスと同方向の流れ（矢印Ｙ２）となるように燃焼室１６に供給される。その結果、混合気が内部ＥＧＲガスと酸素含有ガスとの中間に位置するサンドイッチ状の成層状態において圧縮され、中央部（中心部）がリーンで高温な混合気、その外側（図８に網点を施した範囲）がややリッチで若干温度が低い混合気、燃焼室１６の壁面側がほぼ酸素含有ガスに近い層の状態で予混合圧縮自着火燃焼が行われる。

この実施形態においては、前記第１の実施形態の（１）〜（３）と同様な効果が得られる他に、次の効果が得られる。
（６）混合気が燃焼室１６の壁面側に存在する状態で予混合圧縮自着火燃焼が行われる場合、ピストン１５のクレビス１５ａに混合気が入り込む状態となる。燃焼室１６の壁面は冷却水の影響で温度が低いため、予混合圧縮自着火燃焼が行われる際、クレビス１５ａに入り込んだ状態の混合気は不完全燃焼となり、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯの量が多くなる。しかし、この実施形態では、燃焼室１６の壁面と対応する位置には酸素含有ガスが存在し、燃料がクレビス１５ａ内に入り込むのが回避される。その結果、予混合圧縮自着火燃焼の際に、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯの量を低減できる。また、燃焼効率が向上する。

（７）内部ＥＧＲガス及び混合気が燃焼室１６の中央部に集められ、その外側が酸素含有ガスで覆われる状態で圧縮されて予混合圧縮自着火燃焼が行われる。従って、混合気が燃焼室１６の壁面に接触することによる温度の低下が抑制されて熱効率が向上する。

（８）シリンダ１３ａの内周面（ボア壁）と対応する位置に酸素含有ガスの層が存在するため、ボア壁で起こり易い過早着火等の異常燃焼を抑制することができる。
（９）各吸気ポート１９，２０に流量調整弁４４ａ，４４ｂが設けられている。従って、１個の流量調整弁で両吸気ポート１９，２０から燃焼室１６に供給される吸気の量を調整する構成に比較して、流量調整弁の構造が簡単で制御も容易となる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室１６内に逆流する内部ＥＧＲガスが燃焼室１６の中心部側に流入し、吸気ポートから燃焼室１６に供給される吸気が燃焼室１６の中心部側に流入した排気ガスの外側となるように吸気ポートが設けられていればよく、吸気ポートの数は２個に限らない。図９に示すように、燃焼室１６内に流入する内部ＥＧＲガスの流れと同方向の流れで、該内部ＥＧＲガスの外側となるように吸気を燃焼室１６に供給する１個の吸気ポート５１を設けてもよい。この場合も内部ＥＧＲガスが燃焼室１６の中心部側で混合気がその外側となる成層状態において圧縮が行われるため、第１の実施形態と同様に安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

○ 第２の実施形態のように、燃焼室１６内に流入する内部ＥＧＲガスの流れと同方向の流れで、該内部ＥＧＲガスの外側となるように吸気を燃焼室１６に供給する２個の吸気ポート１９，２０を備えた構成において、両吸気ポート１９，２０から混合気を燃焼室１６に供給する構成としてもよい。即ち、第２の実施形態において、燃料噴射ノズル３６を第２吸気ポート２０に設ける代わりに、第１の実施形態のように吸気通路３４に設ける構成としてもよい。

○ 図１０に示すように、排気吸入ポートとして使用される第２の排気ポート２２に流量調整手段５２が設けられた構成としてもよい。流量調整手段５２として、例えば、スロットルバルブが設けられる。この場合、第２の排気ポート２２（排気吸入ポート）から排気ガスを逆流させて内部ＥＧＲを行う場合、第２の排気ポート２２を開閉する排気弁２６の開閉時期が一定であっても、流量調整手段５２で流量を調整することにより、燃焼状態の制御性を高めることができ、より適正な状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。図１０は、第１の実施形態の構成に適用したものを示しているが、第２の実施形態の構成のものに適用してもよい。

○ 第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６へ供給される吸気が燃焼室１６の内周面に沿って流入する形状となるように、シリンダヘッド１４に両吸気ポート１９，２０を作り込む代わりに、図１０に示すように、フラップ５３を吸気ポート１９，２０に設けてもよい。フラップ５３は図示しないロータリソレノイドにより、鎖線で示す待機位置と実線で示す作用位置とに配置されるように構成される。フラップ５３は、待機位置に配置された状態では吸気ポート１９，２０を流れる吸気に殆ど影響を与えず、作用位置に配置された状態では吸気が偏流となって燃焼室１６の内周面に沿うように流入する。従って、燃焼室１６に流入する吸気の流れの状態を調整する自由度が高くなり、燃焼室１６内の吸気と内部ＥＧＲガスとの混合状態の自由度が高くなる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼の制御性を高めることができる。図１０は、第１の実施形態の構成に適用したものを示しているが、第２の実施形態の構成のものに適用してもよい。

○ 第１の実施形態において、各吸気ポート１９，２０にそれぞれ流量調整弁４４ａ，４４ｂを設ける代わりに、図１０に示すように、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０と吸気通路３４との分岐部に、図示しないアクチュエータにより駆動される弁５４を設けてもよい。弁５４は、第２吸気ポート２０を全閉する鎖線で示す位置と、両吸気ポート１９，２０への吸気の供給を許容する例えば実線で示す位置との間で回動される。

○ 第２の実施形態において各吸気ポート１９，２０に流量調整弁４４ａ，４４ｂを設ける構成に代えて、図１１に示すように、吸気通路３４の分岐部に、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁５５を設けてもよい。流量調整弁５５は、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０への吸気の流量が流量調整弁５５より上流における吸気通路３４内の吸気の流量の０〜１００％の範囲でそれぞれ調整可能になっている。即ち、流量調整弁５５は、第１吸気ポート１９からのみ吸気を供給する状態と、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から吸気を供給する状態とに流量を調整可能になっている。流量調整弁５５として、例えばスプール弁を使用できる。

○ 内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ手段として、排気ガスを吸入する専用の排気吸入ポートを設け、該排気吸入ポートに開閉弁あるいは流量調整弁を設けた構成としてもよい。
○ 排気ポートを１個としてもよい。しかし、１個にした場合は、吸気行程の途中において内部ＥＧＲガスを燃焼室１６の中心部に渦流として流入させ、排気行程で排気を円滑に行うように構成するのが難しい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０の燃料は天然ガスに限らず、ガソリン、プロパンガス、メタノール、ジメチルエーテル、水素の他、ディーゼルエンジンで使用される燃料等任意の燃料を使用してもよい。

○ 暖機運転時のみ、燃料を圧縮自着火し易い燃料とし、暖機完了後に通常運転時の燃料に切り替える構成としてもよい。
○ 混合気は燃料が気体である必要はなく、霧状の液体であってもよい。

○ 燃料と混合する酸素含有ガスは空気に限らず、燃料を燃焼させるのに必要な酸素を含む酸素含有ガスであればよい。例えば、空気に酸素を混合して酸素濃度を高めたガスを使用してもよい。

○ 吸気通路３４内に燃料を噴射して燃料と酸素含有ガスとを混合した混合気を燃焼室１６へ吸入する構成に限らず、燃料を吸気行程中に燃焼室１６に噴射する構成としてもよい。また、燃料はキャブレターやミキサー等で混合してもよい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０はシリンダ（気筒）を複数備えた構成に限らず、単気筒であってもよい。
○ 吸気ポートを３個以上設けたり、排気ポートを３個以上設けたりしてもよい。

○ 可変動弁機構２７，２８は、カムシャフト２９，３０を使用してカム３１，３２により又はロッカアームを介して吸気弁２３，２４あるいは排気弁２５，２６を開閉作動させる構成に限らない。例えば、可変動弁機構２７，２８として、電磁駆動装置又は油圧アクチュエータで直接各吸気弁２３，２４あるいは排気弁２５，２６を開閉作動させる構成を採用してもよい。この場合、開閉時期の調整の自由度が高くなる。

○ 予混合圧縮自着火機関１０として、燃焼室１６に火花点火装置（点火プラグ）を設け、火花点火燃焼運転も可能に構成してもよい。この場合、予混合圧縮自着火燃焼では対応できない高回転速度及び高負荷の要求に対して火花点火燃焼で対応することができる。また、暖機運転を円滑に行うことができる。

○ 予混合圧縮自着火機関１０は定置式のものに限らず、自動車のエンジンに適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートにはそれぞれ流量調整弁が設けられている。
（２）前記排気吸入ポート又は排気吸入ポートを構成する排気ポートには流量調整手段が設けられている。

第１の実施形態の吸気ポートと排気ポートとの関係を示す模式平面図。予混合圧縮自着火機関の概略構成図。ＨＣＣＩ可能な範囲を機関の回転速度及び負荷との関係で示すマップ。（ａ）は第１吸気ポートからのみ吸気が供給される状態の模式図、（ｂ）は第１吸気ポート及び第２吸気ポートから吸気が供給される状態の模式図。吸気弁及び排気弁の開閉時期を示す図。第２の実施形態の吸気ポートと排気ポートとの関係を示す模式平面図。同じく予混合圧縮自着火機関の概略構成図。第１吸気ポート及び第２吸気ポートから吸気が供給される状態の模式図。別の実施形態の吸気ポートと排気ポートとの関係を示す模式平面図。別の実施形態の流量調整弁を示す模式平面図。別の実施形態の流量調整弁を示す模式平面図。従来技術のガソリンエンジンの部分平面図。

符号の説明

１０…予混合圧縮自着火機関、１２…制御装置、１５…ピストン、１６…燃焼室、１８…出力軸としてのクランクシャフト、１９…第１吸気ポート、２０…第２吸気ポート、２１…第１の排気ポート、２２…内部ＥＧＲ手段を構成する排気吸入ポートとしての第２の排気ポート、２６…内部ＥＧＲ手段を構成する排気弁、２８…同じく可変動弁機構、４４ａ，４４ｂ…切替手段を構成する流量調整弁、５１…吸気ポート。

Claims

燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関であって、
吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ手段が設けられ、前記燃焼室に逆流する排気ガスが前記燃焼室の径方向における中心部側に流入するように排気吸入ポートが設けられ、吸気ポートから前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の径方向における中心部側に流入した排気ガスの外側となるように吸気ポートが設けられており、
前記吸気ポートは２個設けられ、第１吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れとなるように該燃焼室に酸素含有ガスを供給し、
第２吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れでかつ、第１吸気ポートからの吸気ガスと前記排気ガスの間になるように該燃焼室に燃料と酸素含有ガスとの混合気を供給する予混合圧縮自着火機関。
前記排気ポートは２個設けられ、一方の排気ポートが前記排気吸入ポートを構成する請求項１に記載の予混合圧縮自着火機関。
前記排気ポートは、ヘリカルポートとして設けられ、
前記第１吸気ポートは、前記燃焼室の内壁面周方向に対する接線方向に延びるように形成され、前記第２吸気ポートは、上流側から前記第１吸気ポートとの間隔が徐々に拡がるように直線状に延びるとともに下流端部が前記第１吸気ポートの下流端部に近づくように屈曲されている請求項１又は請求項２に記載の予混合圧縮自着火機関。