JP5079619B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、吸気通路に配置されたプライマリスロットル弁と、該プライマリスロットル弁より下流側に配置されたセカンダリスロットル弁と、該セカンダリスロットル弁をバイパスするように配設されたバイパス通路とを備えた火花点火式内燃機関に関する。

例えば、単気筒又は２気筒の小型内燃機関は、高速回転高出力運転を行うよう構成されている場合がある。この種の内燃機関では、高速回転で十分な吸入空気量を確保するために、作用角の広いカムを用いる場合がある。この広角カムを用いた場合、部分負荷運転域（低・中負荷）において吸気弁，排気弁が同時に開くオーバーラップ時に多量の既燃ガスが吸気通路に流出し易い。この既燃ガスは、燃焼直後のガスであることから吸入空気の温度上昇を招き、結果として耐ノッキング性能を低下させ、高圧縮比運転を困難とする。さらに吸気通路の壁温度も上昇することから、新気が加熱され、充填効率の低下にもつながるという問題がある。

また前記小型内燃機関においても、外部ＥＧＲを行うことにより、熱効率を改善してＣＯ２の排出量を低減することが要請されている。例えば、特許文献１には、吸気通路のスロットル弁より下流側に外部ＥＧＲガスを導入するＥＧＲ通路を接続した構造が提案されている。
特開２００５−１２０８８８号公報

ところで、前記従来の内燃機関では、吸気通路の、スロットル弁から燃焼室の吸気開口までの通路容積が大きく、さらにサージタンクもこの通路容積に加わる。そのため、吸気行程終了時には吸気通路全域が吸気により負圧となり、次の吸気行程のオーバーラップ時に多量の既燃ガスが吸気通路内に進入し、耐ノッキング性能が低下するおそれがある。

本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされたもので、既燃ガスの吸気系への流出量を抑制して耐ノッキング性能を向上できる火花点火式内燃機関を提供することを課題としている。

請求１の発明は、燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気通路と、該吸気通路に配設されたプライマリスロットル弁と、該プライマリスロットル弁より下流側に配設されたセカンダリスロットル弁と、前記吸気通路の両スロットル弁の間に接続され、前記セカンダリスロットル弁をバイパスするように設けられたバイパス通路と、該バイパス通路に介設され、吸気流の気筒側への流れのみを許容する吸気逆止弁とを備えた火花点火式内燃機関であって、前記セカンダリスロットル弁を、前記吸気通路を構成する吸気管の、シリンダヘッドの側壁に形成された吸気ポートに接続される部分の近傍に設け、前記セカンダリスロットル弁より下流側にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ通路を設け、該ＥＧＲ通路にＥＧＲガスの気筒側への流れのみを許容するＥＧＲ逆止弁を設けたことを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、前記ＥＧＲ通路は、前記バイパス通路の前記吸気逆止弁より下流側に接続されていることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、前記燃焼室にガス燃料を供給するガス燃料供給系をさらに備え、該ガス燃料供給系は、ガス燃料を前記バイパス通路の吸気逆止弁より下流側に供給することを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３に記載の火花点火式内燃機関において、前記ガス燃料供給系は、吸気行程中に供給燃料量の大部分を供給することを特徴としている。

請求項１の発明に係る内燃機関によれば、セカンダリスロットル弁を吸気通路の下流端近傍に配置したので、吸気通路のセカンダリスロットル弁から燃焼室の吸気開口までの通路容積を小さくすることができる。これにより吸気行程終了時から次の吸気行程開始時までに新気が充填されることにより吸気負圧が低減され、オーバーラップ時の吸気通路への既燃ガスの流出量を抑制でき、耐ノッキング性能を向上できる。

一方、前記セカンダリスロットル弁から吸気開口までの通路容積を小さくしたことにより吸気負圧は減少するものの、オーバーラップ時にＥＧＲ通路に高温の内部ＥＧＲが流入するおそれがある。

本発明では、ＥＧＲ通路の下流端近傍にＥＧＲ逆止弁を設けたので、前記内部ＥＧＲがＥＧＲ通路に流入するのを阻止でき、ひいては温度の低い外部ＥＧＲのみを導入することができ、この点からも耐ノッキング性能を向上できる。

また本発明では、セカンダリスロットル弁の上流側にプライマリスロットル弁を配置し、前記セカンダリスロットル弁をバイパスするバイパス通路に吸気逆止弁を介設したので、燃焼により生成する微粒子がプライマリスロットル弁に付着するのを防止でき、該プライマリスロットル弁の制御性が損なわれるのを防止できる。即ち、プライマリスロットル弁の開度により低負荷時の出力調整を行う際に、燃焼による微粒子はセカンダリスロットル弁と吸気逆止弁とで大部分が遮られるので、該微粒子がプライマリスロットル弁に付着することはない。

また前記セカンダリスロットル弁を閉じる低負荷運転域では、新気の大部分はバイパス通路から燃焼室に強い横渦，縦渦の吸気流となって導入されることとなり、高ＥＧＲ率での安定燃焼が可能となり、高効率燃焼を行うことができる。これにより、可変動弁機構を用いることなく、作用角の広いカムの利用が可能となり、高速高出力性能と出力性能の制御応答性とを維持しつつ、ＣＯ２の排出量を低減できる。

請求項２の発明では、ＥＧＲガスをバイパス通路に導入したので、セカンダリスロットル弁を全閉とする低負荷運転域では、バイパス通路を通る流速の早い新気とＥＧＲガスとのミキシングが促進され、燃焼室に強い横渦，縦渦の吸気流が流入することとなる。これにより三元触媒を用いて理論空燃比（λ＝１）で運転を行う場合の、余剰酸素がない条件下でも、未燃焼ガスの排出を抑制でき、燃焼効率を向上できる。

一方、セカンダリスロットル弁を全開とする高負荷運転域では、高速で流れる空気の吸気負圧より、高圧なＥＧＲガスがバイパス通路に導入されることとなり、該ＥＧＲガスの噴出効果により燃焼効率を高めることができる。

請求項３，４の発明では、ガス燃料を、吸気行程中に全量，もしくはその大部分をバイパス通路に供給するようにしたので、バイパス通路を流れる新気割合の高い吸気流にガス燃料を供給することにより、横渦，縦渦を生成する吸気流の強度を増幅でき、高いＥＧＲ率で安定した燃焼を行うことができる。即ち、外部ＥＧＲを行う部分負荷運転域では、吸気通路のセカンダリスロットル弁の下流側部分に高濃度のＥＧＲガスが滞留し易い。これは、ＥＧＲガスをセカンダリスロットル弁の下流側から導入することと、新気の大部分はバイパス通路から気筒内に指向して流出するからである。このため、セカンダリスロットル弁の下流側にガス燃料を供給すると、酸素不足の状態で気筒内に流入することとなるが、新気の大部分はバイパス通路から横渦，縦渦の吸気流となって気筒内に流入するので、ミキシングの弱い成層状態で吸気が行われることとなり、高ＥＧＲ率でかつ高効率燃焼を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の第１実施形態による火花点火式内燃機関を説明するための図であり、図１は火花点火式内燃機関の概略構成図、図２は内燃機関の断面側面図である。

図において、１は４サイクル２気筒の火花点火式内燃機関を示している。該内燃機関１は、２つのシリンダボア（気筒）２ａ，２ａが形成されたシリンダブロック２に、各シリンダボア２ａに対向するよう燃焼凹部３ａが形成されたシリンダヘッド３を接続し、前記各シリンダボア２ａ内にピストン４を摺動自在に挿入し、該各ピストン４を図示しないコンロッドでクランク軸に連結した概略構造を有する。前記シリンダボア２ａ，燃焼凹部３ａ及びピストン４の頂面で囲まれた空間により燃焼室５が形成されている。

前記シリンダヘッド３の各燃焼凹部３ａには、燃焼室５に連通する１つの吸気開口３ｂ及び排気開口３ｃが形成されている。この吸気開口３ｂ，排気開口３ｃは、気筒軸方向に見たときそれぞれクランク軸の軸線ｃを挟んだ一側，他側に、互いに対向するように配置されている。

前記吸気開口３ｂ，排気開口３ｃには、それぞれ吸気弁６，排気弁７が配設され、該吸気弁６，排気弁７はそれぞれ吸気カム軸８，排気カム軸９により開閉駆動される。

前記シリンダヘッド３には、シリンダボア２ａ毎に２本の点火プラグ１０，１０が燃焼凹部３ａ内に臨むように螺着されている。この各点火プラグ１０は、気筒軸方向に見たときクランク軸の軸線ｃ上で、かつ吸気開口ｂ３及び排気開口３ｃのカム軸方向両側に位置するよう配置されている。

前記各吸気開口３ｂは、吸気ポート３ｄによりシリンダヘッド３の一側壁に導出され、排気開口３ｃは、排気ポート３ｅによりシリンダヘッド３の他側壁に導出されている。

前記各排気ポートに３ｅには、排気管１２，１２が接続され、該各排気管１２は１本の排気合流管１３に接続されている。該排気合流管１３には排ガスの浄化を行う触媒１４が介設され、下流端にはマフラ（不図示）が接続されている。

前記各吸気ポート３ｄには、吸気管（吸気通路）１５，１５が接続され、該各吸気管１５の上流端には共通のサージタンク１６が接続されている。該サージタンク１６には、吸気合流管１７を介在させてエアクリーナ１８が接続されている。該吸気合流管１７のエアクリーナ１８の近傍にはエアフローセンサ１９が配置されている。

前記各吸気管１５の吸気ポート３ｄの上流側近傍には、ガソリン等の液体燃料噴射弁２０が装着されている。該液体燃料噴射弁２０は、これの燃料噴射口２０ａを前記吸気弁６の弁裏中心部に向けて配置されている。

前記内燃機関１は、前記各吸気管１５に配設されたプライマリスロットル弁２４と、該プライマリスロットル弁２３より下流側に配設されたセカンダリスロットル弁２３と、前記各吸気管１５の両スロットル弁２３，２４の間に接続され、該セカンダリスロットル弁２３をバイパスするバイパス通路２５と、該バイパス通路２５の上流部２５ｂに設けられた吸気逆止弁２６とを備えている。

前記バイパス通路２５は、前記上流部２５ｂと、ここから左，右に分岐された分岐部２５ａ，２５ａとを有し、該各分岐部２５ａは吸気管５の下側にこれにそうように配置されている。この分岐部２５ａ，２５ａはシリンダボア２ａ内でスワール（横渦）又はタンブル（縦渦）が生成するよう空気流を方向付けして燃焼室内に噴出させるように構成されている。

前記各バイパス通路２５の下流端口２５ａ′は、前記吸気ポート３ｄの吸気開口３ｂの近傍に開口している。また上流端口２５ｂ′は、前記吸気管１５のセカンダリスロットル弁２３とプライマリスロットル弁２４との間に開口している。

前記吸気逆止弁２６は、吸気管１５から流入した吸気流の気筒側への流れのみを許容し、逆方向への流れを阻止するためのものであり、前記上流端口２５ｂ′の下流側近傍に配置されている。

前記セカンダリスロットル弁２３は、該スロットル弁２３から吸気開口３ｂまでの通路容積を可能な限り小さくするためにできるだけ吸気開口３ｂに近い部位に配置される。具体的には、前記吸気管１５の吸気ポート３ｄとの接続近傍で、かつ前記燃料噴射弁２０の噴射口２０ａより上流側に配置されている。該セカンダリスロットル弁２３は、低中負荷運転域で閉じ、高負荷運転域で開けるよう制御される。

前記内燃機関１は、排気ガスの一部を燃焼室５に還流させるＥＧＲ装置２７を備えている。該ＥＧＲ装置２７は、前記排気合流管１３の触媒１４の下流側に接続された１本のＥＧＲ導入管（ＥＧＲ通路）２８と、該ＥＧＲ導入管２８の上流側に介設されたＥＧＲ冷却器２９と、前記ＥＧＲ導入管２８の下流側端部に介設されたＥＧＲ制御弁３０，３０とを備えている。

前記ＥＧＲ導入管２８のＥＧＲ冷却器２９の上流側には、ＥＧＲガスに混入したカーボン等の微粒子を除去する微粒子トラップ３１が介設されている。

前記ＥＧＲ導入管２８は、下流端部にて２つのＥＧＲ導入枝管２８ａ，２８ａに分岐され、各ＥＧＲ導入枝管２８ａは、それぞれ前記吸気管１５の、セカンダリスロットル弁２３より下流側で、かつ前記燃料噴射弁２０の噴射口２０ａより上流側に接続されている。

前記各ＥＧＲ導入枝管２８ａには前記ＥＧＲ制御弁３０が介設されており、該各ＥＧＲ導入枝管２８ａの、ＥＧＲ制御弁３０より下流側で、かつ吸気ポート３ｄの近傍には、ＥＧＲガスの気筒側への流れのみを許容し、逆方向への流れを阻止するＥＧＲ逆止弁３２が介設されている。

本実施形態の内燃機関１では、主としてプライマリスロットル弁２４により吸気量の制御が行われ、セカンダリスロットル弁２３により実質的な吸気通路容積の制御が行われる。そして低負荷運転域では、セカンダリスロットル弁２３は全閉となり、吸気はバイパス通路２５を通って燃焼室５内に導入される。高負荷運転域では、セカンダリスロットル弁２３は全開となり、吸気は吸気管１５から吸気ポート３ｄを通って燃焼室５内に導入され、前記バイパス通路２５はほとんど通らない。また中負荷運転域では、セカンダリスロットル弁２３は負荷が大きくなるほど開かれる。

本実施形態では、セカンダリスロットル弁２３を吸気管１５の下流端近傍に配置したので、セカンダリスロットル弁２３から燃焼室５の吸気開口３ｂまでの通路容積を小さくすることができる。これにより吸気行程終了時から次の吸気行程開始時までに新気が吸気管１５のセカンダリスロットル弁２３より上流側部分に充填され、吸気負圧が低減される。そのため、オーバーラップ時の吸気管１５への既燃ガスの流出量を抑制でき、ひいては耐ノッキング性能を向上できる。

一方、本実施形態では、前記セカンダリスロットル弁２３から吸気開口３ｂまでの通路容積を小さくしたことにより吸気負圧が減少するものの、オーバーラップ時にＥＧＲ導入管２８に高温の内部ＥＧＲが流入するおそれがある。

本実施形態では、前記各ＥＧＲ導入枝管２８ａの下流端近傍にＥＧＲ逆止弁３２を設けたので、前記内部ＥＧＲがＥＧＲ導入管２８に流入するのを防止できる。そのため、温度の低い外部ＥＧＲの導入量を増大することができ、耐ノッキング性能を向上できる。

本実施形態では、各吸気管１５のセカンダリスロットル弁２３より上流側にプライマリスロットル弁２４を配置し、前記セカンダリスロットル弁２３をバイパスするバイパス通路２５に吸気逆止弁２６を介設したので、燃焼により生成するカーボン等の微粒子がプライマリスロットル弁２４に付着するのを防止でき、該プライマリスロットル弁２４の制御性が損なわれるのを防止できる。即ち、プライマリスロットル弁２４により低負荷時の出力調整を行う際に、燃焼により生成する微粒子の大部分は、全閉のセカンダリスロットル弁２３と吸気逆止弁２６とで遮断されるので、該微粒子がプライマリスロットル弁２４に付着することはほとんどない。

また前記セカンダリスロットル弁２３が全閉となる低負荷運転域では、新気の大部分はバイパス通路２５から燃焼室５に強い横渦，縦渦の吸気流となって導入されることとなり、高ＥＧＲ率での安定燃焼が可能となり、高効率燃焼を行うことができる。これにより、可変動弁機構を用いることなく、作用角の広いカムの利用が可能となり、高速高出力性能を維持しつつ、ＣＯ２の排出量を低減できる。

さらに前記セカンダリスロットル弁２３を吸気ポート３ｄの近傍に配置するとともに、該セカンダリスロットル弁２３の上流側近くにプライマリスロットル弁２４を配置したので、出力性能の制御応答性を向上できる。

本実施形態では、ＥＧＲガスを各吸気管１５のセカンダリスロットル弁２３より下流側に導入したので、ＥＧＲガスと新気とが成層状態をなして燃焼室５に流入することとなり、ＥＧＲ率及び燃焼効率を高めることができる。

図３ないし図７は、それぞれ本発明の第２〜第４実施形態による内燃機関を説明するための図である。

これらの第２〜第４実施形態の内燃機関１は、各吸気管１５の下流端近傍にセカンダリスロットル弁２３を配置し、ＥＧＲ導入管２８の各ＥＧＲ導入枝管２８ａを吸気管１５のセカンダリスロットル弁２３より下流側に接続するとともに、ＥＧＲ逆止弁３２を各ＥＧＲ導入枝管２８ａの下流側近傍に配置している。これらの基本的な構成は、第１実施形態と同様であることから、以下、異なる部分についてのみ説明する。

図３は、本発明の第２実施形態による内燃機関を示している。図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態のシリンダヘッド３には、２つの吸気開口３ｂ，３ｂと１つの排気開口３ｃが形成され、かつシリンダボア２ａごとに３本の第１〜第３点火プラグ１０ａ〜１０ｃが配置されている。

前記第１点火プラグ１０ａは、気筒軸方向に見たとき、シリンダボア２ａの略中心に位置し、クランク軸の軸線ｃより吸気側で、かつ各吸気開口３ｂの間に配置されている。また前記第２，第３点火プラグ１０ｂ，１０ｃは、クランク軸線ｃより排気側で、かつ排気開口３ｃの両外側に近接させて配置されている。

本第２実施形態では、第１点火プラグ１０ａをクランク軸の軸線ｃより吸気側で、かつ各吸気開口３ｂの間に配置したので、火炎伝播距離を短くでき、耐ノッキング性能を向上できる。

また第２，第３点火プラグ１０ｂ，１０ｃを排気開口３ｃの両外側に配置したので、温度の高い排気系の影響を回避しつつ、点火を速くすることができ、この点からも耐ノッキング性能を向上できる。

図４及び図５は、本発明の第３実施形態による内燃機関を示している。図中、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態の内燃機関１は、ＥＧＲ導入管２８の各ＥＧＲ導入枝管２８ａをバイパス通路２５に接続した例である。詳細には、前記バイパス通路２５の吸気逆止弁２６の下流側には、前記ＥＧＲ導入枝管２８ａがＥＧＲ逆止弁３２を介在させて接続されている。

本第３実施形態では、ＥＧＲ導入管２８の各ＥＧＲ導入枝管２８ａを、バイパス通路２５の吸気逆止弁２６の下流側に接続したので、セカンダリスロットル弁２３が全閉となる低負荷運転域では、バイパス通路２５を通る流速の早い新気とＥＧＲガスとのミキシングが促進され、燃焼室５にて強い横渦，縦渦が生成されることとなる。これにより三元触媒を用いて理論空燃比（λ＝１）で運転を行うような、余剰酸素がないような条件下でも、未燃焼ガスの排出を抑制でき、燃焼効率を向上できる。

一方、セカンダリスロットル弁２３が全開となる高負荷運転域では、高速で流れる空気の吸気負圧より、高圧なＥＧＲガスがバイパス通路２５に導入されることとなり、該ＥＧＲガスの噴出効果により燃焼効率を高めることができる。

図６及び図７は、本発明の第４実施形態による内燃機関を示している。図中、図３と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態の内燃機関１は、前述の液体燃料供給系とは別に、ＬＰＧ，ＣＮＧ等のガス燃料を噴射供給するガス燃料供給系３５を備えている。

該ガス燃料供給弁３５の燃料供給弁３５ａは、ガス燃料をバイパス通路２５の吸気逆止弁２６より下流側に供給するよう配置され、吸気行程中にガス燃料の全量，もしくはその大部分を供給するよう制御される。

本第４実施形態によれば、ガス燃料を、吸気行程中に全量，もしくはその大部分をバイパス通路２５に供給するようにしたので、該バイパス通路２５を流れる新気割合の高い吸気流にガス燃料を供給することにより、横渦，縦渦を生成する吸気流の強度を増幅でき、高いＥＧＲ率で安定した燃焼を行うことができる。即ち、外部ＥＧＲを行う部分負荷運転域では、吸気管１５のセカンダリスロットル弁２３の下流側部分に高濃度のＥＧＲガスが滞留し易い。これは、ＥＧＲガスをセカンダリスロットル弁２３の下流側から導入することと、新気の大部分はバイパス通路２５からシリンダボア２ａに向かって流出するからである。このため、セカンダリスロットル弁２３の下流側にガス燃料を供給すると、酸素不足の状態でシリンダボア２ａ内に流入することとなるが、新気の大部分はバイパス通路２５から横渦，縦渦が生成するように流入するので、ミキシングのない成層状態で吸気が行われることとなり、高ＥＧＲ率でかつ高効率燃焼を行うことができる。

本発明の第１実施形態による点火火花式内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面側面図である。 本発明の第２実施形態による内燃機関の概略構成図である。 本発明の第３実施形態による内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面側面図である。 本発明の第４実施形態による内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面側面図である。

符号の説明

１ 火花点火式内燃機関
３ｄ 吸気ポート
５ 燃焼室
１０ 点火プラグ
１５ 吸気管（吸気通路）
２３ セカンダリスロットル弁
２４ プライマリスロットル弁
２５ バイパス通路
２６ 吸気逆止弁
２８ ＥＧＲ導入管（ＥＧＲ通路）
３０ ＥＧＲ制御弁
３２ ＥＧＲ逆止弁
３５ ガス燃料供給系

Claims (4)

1. 燃焼室と、
   該燃焼室に連通する吸気通路と、
   該吸気通路に配設されたプライマリスロットル弁と、
   該プライマリスロットル弁より下流側に配設されたセカンダリスロットル弁と、
   前記吸気通路の両スロットル弁の間に接続され、前記セカンダリスロットル弁をバイパスするように設けられたバイパス通路と、
   該バイパス通路に介設され、吸気流の気筒側への流れのみを許容する吸気逆止弁とを備えた火花点火式内燃機関であって、
   前記セカンダリスロットル弁を、前記吸気通路を構成する吸気管の、シリンダヘッドの側壁に形成された吸気ポートに接続される部分の近傍に設け、
   前記セカンダリスロットル弁より下流側にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ通路を設け、
   該ＥＧＲ通路にＥＧＲガスの気筒側への流れのみを許容するＥＧＲ逆止弁を設けたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
   前記ＥＧＲ通路は、前記バイパス通路の前記吸気逆止弁より下流側に接続されていることを特徴とする火花点火式内燃機関。
3. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
   前記燃焼室にガス燃料を供給するガス燃料供給系をさらに備え、
   該ガス燃料供給系は、ガス燃料を前記バイパス通路の吸気逆止弁より下流側に供給することを特徴とする火花点火式内燃機関。
4. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関において、
   前記ガス燃料供給系は、吸気行程中に供給燃料量の大部分を供給することを特徴とする火花点火式内燃機関。

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