JPS58501243A - 排気ガス再循環式内燃機関およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 排気ガス再循環式内燃機関およびその運転方法技術分野 本発明は、排気ガスの一部を燃料、又は、燃料−空気混合気とともに、各シリン ダに選択的に加えてエンジンのあらゆる運転速度で燃料消費を実質的に減少させ る多７リンダ内燃機関に関する。

技術背景 現在の技術における火花点火式エンジンでは、部分負荷において低効率の問題が ある。効率の損失は、吸込混合気の絞りによる損失、絞られた混合気の低密度に よる遅い燃焼、燃焼室の壁による過度の熱損失、及び、燃焼中、解離反応に浪費 されるエネルギによって引起こされる。

部分負荷での低効率に加えて、現在の技術のエンジンは、排気ガスの放出の問題 によって悩まされている。未燃焼炭化水素の放出は、低温でスタートするときの チョーク、及びシリンダ壁での炎の冷却から生じる。窒素酸化物の放出は、過度 の燃焼温度から生じる。

先行技術において、これらの問題のいくつかを、排気ガスのＦ［［（Ｅ　Ｇ　Ｒ ）によって解消することが知られており、εＧＲ７ステム、および内燃機関を作 動する方法に関する多くの特許が出ている。かかる特許の例を以発明者名　米国 特許番号 Ｖｉｒｋ　等　≠、２乙３−、７２／ Ｒｅ５ｔｅｒ、Ｊｒ、　≠、／３！；、’ＩＩ／＋ａｔｔｏｒｉ　ＩＩ　、　／ 　／　９　、０７／Ｇａｇｔｉａｒｄｉ　’ｌ−，０／　／　＊　Ｉ４’乙Ｍｉ ｇｈｔ　ｌＪｔ、０乙０，０乙／ Ｂｔａ　ｓ　ｅ　ｒ　≠、０乙０．ＯｊりＶ　１Ｌｌｅｌａ　３＃りＯｊ、３≠ ≠ＤａＭｓｔｒｏｍ　３．７タタ、／３０Ｓａｉｋｉ　’Ａ、／り！　、　’ｌ −７３Ｅ　、Ｇ　Ｒ／ステムは、内燃機関における汚染を低下させるのに有用で ある一方、指示比燃料消費量（ＩＳＦＣ）も、燃焼速度が充分に速くなると低下 する。

発明の概要 先行技術の装置の問題は、本発明の成層式ＥＧＲシステムでは以下の方法で克服 される。

／）吸気ストロークの終わりにシリンダに供給されたＥＧＲは燃料／空気混合気 の一部を変位させ、混合気を吸気パルプを通して吸気多岐管へ押し戻す。かくし て、部分負荷は吸込燃料／空気混合気の最少の絞りで得られる。負荷はＥＧＲを 絞ることによって制御される。即ち、ＥＧＲスロットルが開くと、エンジン出力 は減する。逆に、ＥＧＲスロットルが閉じると、ＥＧＲを遮断し、シリンダは最 大出力を生ぜしめる。最大出力では、成層式ＥＧＲエンジンと現在のエンジンと の差は、はとんど皆無である。

２）遅い燃焼の問題は、成層式ＥＧＲエンジン設計では、高密度の混合気（最小 の吸気絞り）を有すること、短い火炎進路、及び高渦流によって克服される。成 層はシリンダ壁の周りに排気ガスを旋回させ、点火ブラダ近くでシリンダの中央 部に集中した燃料／空気混合気を旋回させることからなる。ＥＧＲと燃料／空気 混合気は両方とも、高速度で、同じ方向に旋回しているから、急速な火炎伝播が 生じる。火炎だけが点火プラグから中央の燃料／空気領域の外方半径まで進めば 良いから、火炎進路はより短くなる。

３）旋回する熱いＥＧＲガスは壁に隣接し、かくして、中央の燃料／空気混合気 を壁から遮蔽するから、燃焼混合気からシリンダ壁への過度の熱損失が回避され る。

成層式ＥＧＲエンジンの設計では、熱い排気ガスが、燃料／空気混合気を取り囲 むからこの装置は、エンジンのウオームアツプを早くシ（即ち、すばやく開くチ ョークを使用することができる）、又、火炎が壁まで伝播しないから、シリンダ 壁の火炎急冷が除去される。

本発明の成層式ＥＧＨの概念は、既存の≠ストローク・サイクル・エンジンの変 更であり、部分負荷での燃料消費を減少させ、望ましくない排気の排出を減少さ せる。

この変更では、ピストンの下死点のすぐ上に位置した少なくとも一つの接線方向 に向いたホートラ介して、排気ガスをシリンダ内に導入するように設計される。

高い旋回速度を保つために、他のシリンダ、又は、排気ガス多岐管からの排気ガ スが、ダクト（導管）を介して、少なくとも一つのポートに差し向けられる。こ のダクトは、第１の場合には、多シリンダエンジンの点火順序で３乙θ。

離れている２つのシリンダの接線方向に向いたノートを連結する。ダクトには、 ＥＧＲの量を制御するスロットルバルブと、ＥＧＲの温度を４ｍ制御する熱変換 器とが組込まれている。変更の他の要素は、吸気燃料−空気混合気が吸気バルブ を介して、シリンダに入るとき、吸入燃料−空気混合気を旋回させる装置である 。概括すると、成層式ＥｍＲの設計では、 ／）各シリンダに設けられた少なくともゴつの接線方向ＥＧＲポートと、 ２）シリンダのＥＧＲ，ｊｅ−トと排気ガス源とを連結するダクトと、 ３）吸入空気、又は、燃料／空気混合気を旋回させる装成層は、はぼ同じ回転速 度の　でＥＧＲと、空気、又は燃料／空気混合気とを旋回させることによって保 られる。この仕方で、ＥＧＲ／混合気の界面での粘性剪断は最小となり、かくし て、界面での乱流混合は最小となる。

ＥＧＲは遠心力「ω、が最も大きくなるようなシリンダ壁のところに導入される から、圧縮ストローク中、遠心力によりＥＧＲをシリンダの内壁のそばに保つ。

図面の簡単な説明 本発明を添付図面を参照して、より詳しく説明する。

第１図は、点火順序／−≠−３−２をもつオツド・サイクル・≠７リングエンジ ンの第１の７リング、及ヒ第１のシリンダの吸気ＥＧＲ，ｆ！−トが／２０°Ａ ＴＤＣの位置で塞がれていない状態を図示する。

第２図は、吸気ストロークの終りにおける第１のシリンダを図示する。

第３図は、圧縮期間中の第１の７リングを図示する。

第≠−図は、燃焼期間中の第１の７　ＩＪンダを図示する。

第５図は、第１のシリンダの膨張、即チ、ハワストロークを図示する。

第４図は、排気ストロークの開始を図示する。

第７図は、排気ストロークの終わりに近づく第１のシリンダを図示する。

第ｇ図は、シリンダの適当な通気管配置を説明するための変形すれた≠シリンダ ・フオルクスワーｒンエンジンの一部の図である。

第り図は、旋回流路の排気ガスをエンジン７リンダ内に差し向けるに適した接線 方向の入口ポートの図である。

第１０図は、変形されたフオルクスワーｒンエンジンの層をなす排気ガス再循環 （ＥＧＲ）の比燃料消費量への効果を、エンジンを／ｌ００Ｒｐｖで作動させ、 ＥＧＲポートを夫々、開閉した場合において表した図である。

発明の詳細な説明 本発明の特徴は、多シリンダ・オツドサイクル型同燃機関のうちの一つのシリン ダ１０を示す第１図乃至第７図、及び第り図を参照して、最も良く理解されよう 。説明のために選ばれたシリンダ１０は、点火順序／−≠−３−２をもつ≠気筒 エンジンの１番目のシリンダであムクリンダ１０内にはピストン−１２が往復自 在に設けられている。シリンダ１０のヘッド端部１４には、中央に吸気パルプ１ ６が位置決めされており、該吸気パルプ１６は図示されてないが、通常のバルブ 開閉機構を備えている。在来の気化器からの燃料／空気混合気はガス旋回用羽根 部材２０を備える吸気多岐管１８を介して、シリンダ内に差し向けられる。旋回 用羽根２０は、バルブ１６が開かれるとき、シリンダに入る燃料／空気混合気を 、方向矢印２２の方向に旋回させるように構成されている。

上述のエンノ／において、第１図はピストン１２がピストン移動矢印２４の方向 に移動する吸気ストロークの部分を示している。吸気ストロークは、上死点で始 まり、バルブ１６は、上死点後、約６Ｏ０まで、開いたままである。

第２図には、ピストン１２が下死点位置で示され、ＥＧＲポート２６は、上死点 後７２０°のピストン位置から下死点後乙θ°のピストン位置まで塞がれない状 態で示されている。第り図により明確に示されているように、ＥＧ　Ｒ，ｆ！− ｋ　２６は、実際には接線方向にあり、渦巻状ヘッダ２９を介して、排気ガス導 管２８に連結されている。本発明での排気ガス導管２８は、７番目の７リングに 圧縮排気ガスを供給するために、３番目の７リングの同様なヘッダとホードに連 結される。

第り図には、複数の接線方向入口が示されているが、小さな直径のシリンダをも つエンジンには、単一の接線方向入口で十分であると考えられている。

第２図、及び第７図において、排気ガスの流れ矢印３０かられかるように、接線 方向人口２６は、排気ガスの旋回方向が、バルブ１６を介してシリンダに流入す る燃料／空気混合気と同じ旋回方向となるように、シリンダ１０に対して位置決 めされる。このことは、排気ガス／燃料空気混合気の界面での粘性剪断を減少さ せ、この粘性剪断の減少は界面での渦流混合を最小にし、かくして、シリンダ１ ０の内面の周りに旋回する排気ガスと、その内方に回転する燃料／空気混合気と の層を最大にする。

７リンダ１０の圧縮ストロークを示す第３図において、破線３２．３４は燃料／ 空気混合気ａと排気ガスｂとの間の円筒形の境界を示している。煙量の研究によ って、シリンダ内のガスの圧縮中、排気ガスと燃料／空気混合気との混合は実質 的にほとんどないことがわかっている。

第≠図において、電源および点火調時装置（図示せず）に電気的に接続された在 来の点火プラグ３６によって、上死点で点火が起こる。点火プラグは、点火ギャ ップが燃料／空気混合気領域に位置決めされるように、シリンダ１０のヘッド１ ４に位置決めされているっ上述のサイクルの説明から、エンジンの燃料／空気混 合気の絞りにもかかわらす接線方向ポート２６を介してシリンダに流入する排気 ガスによりガスの全容積がシリンダ内に誘導されるので絞り状態の下でも圧縮圧 力は高い状態に保たれることが理解されよう。また、旋回する燃料／空気混合気 と排気ガスが、シリンダ内に層を維持するから、最適な可燃性混合気は、点火の 時に常に点火プラグに隣接して存在し、これによって、不完全燃焼と、不完全燃 焼生成物の排出とを最小にする。

第１図はシリンダ１０の動力ストロークを示し、一方、第３図は、ピストン１２ の動力ストロークにおいて、ＥＧＲ接線方向ポート２６が、上死点後　／２０° で開き始め、下死点後　６０°まで　開いたままであることを示している。≠０ °で示す排気パルプが開いて、９燃焼生成物の一部分を接線方向のＥＧＲ，１ｅ −）２６と導管２８ｆ：介して排出させ、例示の≠気筒エンジンの３番目の７リ ングに加圧排気を与えながら、燃焼生成物の他の部分を７リングから慣例的に排 出させる。下死点後乙θ。

と上死点との間で、シリンダ内の燃焼残留生成物は排気パルプ４０によって排出 される（第７図参照）。

第１図乃至第７図でわかるように、スロットルバルブ４２が、導管２８内に取付 られ、機械的リンク仕掛け４４によって、例えば、気化器のスロットルバルブに 連結され、気化器のスロットルバルブが開くとき、排気ガス導管スロットルバル ブ４２は閉じられ、また反対に気化器のスロットルバルブが閉じるとき、排気ガ ス導管スロットル・ぐルブ４２が開くようになっている。このような構成では、 エンジンの全負荷運転中、実質的に、排気ガスは７リングへ再循環されず、これ に対して、吸気スロットルを部分的に閉じる部分負荷運転中、排気スロットルパ ルｆ４２は完全に開かれて排気ガスをシリンダへ最大吸入させる。

排気ガススロットルバルブとリンク仕掛は装置ノこの構成が、第１図乃至第７図 に示されているが、エンジンは、排気管にスロットルバルブがなくとも満足に作 動することがわかっている。排気管が絞られないとき、エンジン出力は、入口空 気流の在来のスロットル制御で調整され、再循環される排気ガスの割合はほぼ一 定になる。

本発明の絞られない成層式排気ガス再循環システムで作動するエンジンは、ＩＨ Ｐｉはんのわずか低下（略１５％）させるだけで、ｌ５Ｆｃを減少させることが わかる。

かくして、効率の観点から、ＥＧＲ高い割合でエンジンを作動させ、低い最大の 動力出力を容認することが有利である。

今、第ｇ図を参照すると、本発明の概念を包含するように変形されたフオルクス ワーｒン製のｔ気筒オツドサイクル内燃機関が示されており、エンジン５０ば、 一対の導管５２．５４を備えている。導管５４は７番目と３番目のシリンダのＥ ＧＲＪ−トに連結されて、エンジンを作動するだめの排気流を与える一方、導管 ５２け、≠番目と２番目のシリンダのＥＧＲ接線方向入口、２−トに連結されて いる。在来のフオルクスワーｒツエンジンの変形には、接線方向入口ノートと連 結用排気導管５２゜５４を設けることのほかに、ψつのシリンダに対スる燃料／ 空気吸気管内にガス旋回装置を取付け、気化器を再調整する必要がある。

更に、エンシンクランク室からのオイルがＥＧＲポートに入るのを防止するため に、ポートをピストンオイルリングの最も高い位置より上に位置決し、密封体を 各ピストンのピストンピンに取付けた。これらの変形では、変形されていないフ オルクスワーｒンエンジンと同じ圧縮比をもつ変形エンジンを提供するために、 スカッシュ空間をプライス加工して、各シリンダヘッドの輪郭を変え、各ピスト ンヘッドを仕上げた。フライス加工工程と仕上げ工程によって、もとのフオルク スワーｒンエンジンと同じ圧縮比を有する成層式ＥＧＲエンジンが提供された。

第ｇ図には、また、機械的リンク仕掛け５６．５８が破線で示されており、該機 械的リンク仕掛け５６．５８は、燃料／空気スロットルバルブリンク仕掛けに連 結されて、排気ガスの絞りを希望するときに使用される。

今、第７０図を参照すると、ＥＧＲボートを開いた場合と、閉じた場合について 各々、／すθ（７ＰＰＭで運転した変形エンノンの指示馬力（ＩＨＰ）に対する 指示化燃料消費量（ＩＳＥＣ）が示されている。試験運転中、燃料／空気混合気 は理論混合比にったる。試験結果によれば、ＥＧＲポートを開いた状態で、指示 化燃料消費量は平均７０％減少することがわかる。高ＥＧＲの割合で運転すると き遅い燃焼の問題は成層式ＥＧＲ設計で解消されることの証拠は次の表の試験結 果に示されている。

従来のエンジン　０チ　７７　７７θ　３×／ｄ成層式ＥＧＲ３０チ　７７　７ ７０　２．２×１０５両方を比較すると、ピークンリング圧力は同じであり、最 大燃焼率の測定量であるピーク圧力比も近かった。

上述の例と説明では、改良された成層式排気ガス再循環エンクンは、シリンダ／ 、３．≠、２を≠気筒ゲストロークエンジンに連結するように導管装置によって 、シリンダの排気ガス接線方向ホードを連結した型式のものである。しかしなが ら、排気多岐管の圧力が、一つのシリンダで最大になると同時に、他のシリンダ について、排気ガスの要求があるように、各シリンダへの排気ガス入ロホートを 排気多岐管に連結しても良い。

ＦＩＧ、　／、　ＦＩＧ　２− ＦＩＧ　６．　ＦＩＧ　？。

ＲＧ、θ。

ＦＩＧ、蛾 ＨＰ １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＵＳ８２１０１０４０発明の名称　排気ガス再循 環式内燃機関およびその運転方法；特許出願人 名称リサーチ　コーポレーション −１代理人 住　所　東京都千代田区丸の内３丁目３番／号５、補正書の提出年月日 昭和５７年１０月３０日 ６、添付書類の目録 （１）補正書の翻訳文　１　通 ／タ　条　補　正 請求の範囲 ／）各７リングに、各シリンダの実質的に中央に位置した吸気バルブ装置を介し て連結される燃料源、及び空気源と、吸気ストローク中、可燃性燃料／空気混合 気と排気ガスを７リング内で成層にさせる装置とを備える多シリンダ内燃機関に おいて、 前記成層させる装置は、 ａ）各シリンダ用の燃料／空気混合気旋回装置と、ｂ）下死点前約乙θ０から下 死点後約乙Ｏ０まで各７リンーダに開放する各７リング用の少なくとも１つの入 口ポートと、 Ｃ）前記少なくとも１つの入口ポートと加圧排気ガス源とを連結する導管装置と 、 ｄ）エンジンの点火順序で３乙０°離れたシリンダから排出されるガスからなる 前記加圧排気ガス源と、ｅ）各シリンダ内で空気／燃料混合気の旋回と同じ方向 に排気ガスを旋回させる装置と、 からなることを特徴とする内燃機関。

２）排気ガスは７リングの内面の周りに旋回し、燃料／空気混合気は７リングの 中央域で旋回することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の内燃機関。

３）各シリンダ用の、少なくとも７つの排気ガス入口ポートを形成する接線方向 入口装置を更に有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の内燃機関。

≠）少なくとも７つの排気ガス入口ボートと加圧排気ガス源とを連結する導管の 各々に、可変なスロットルバルブ装置を更に有することを特徴とする請求の範囲 第３項に記載の内燃機関。

ｊ）各シリンダに、各７リングの実質的に中央に位置する吸気バルブ装置を介し て、連結された気化器と、吸気ストローク中、可燃性燃料／空気混合気と、排気 ガスとをシリンダ内で成層させる装置とを備える多シリンダ内燃機関において、 前記成層させる装置は、 ａ）各７リングの吸気パルプの上流に設けられた燃料／空気混合気旋回装置と、 ｂ）下死点後約乙θ°から各７リングに開放する各／す／ダの少なくとも７つの 艦線方向入ロホートと、Ｃ）谷接線万回入ロポートを、エンジンの点火順序に３ 乙θ°離れたシリンダから排出する加圧排気ガスと連結させる導管装置と、 からなることを特徴とする内燃機関。

乙）ａ）　吸気ストローク中、旋回路の空気、或は可燃性燃料／空気混合気をエ ンジンシリンダ内へ差し向ける工程と、 ｂ）エンジンの点火順序に３乙θ°離れた７リングから排出される排気ガスを旋 回路でシリンダ内へ接線方向に入れて、空気又は、燃料／空気混合気と、排気ガ スの成層物を作る工程と、 Ｃ）前記成層物を圧縮させる工程と、 ｄ）前記成層物に点火する工程と、 ｅ）成層物を膨張させて有用な仕事を生じさせる工程と、 ｆ）シリンダを排気する工程と、 からなる少なくとも２つのシリンダからなる内燃機関の運転方法。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）各シリンダに、各シリンダの実質的に中央に位置した吸気バルブ装置を介し て連結される燃料源、及び空気源と、吸気ストローク中、可燃性燃料／空気温、 合気と排気ガスをシリンダ内で成層させる装置とを備える多シリンダ内燃機関に おいて、 前記成層させる装置は、 ａ）各シリンダ用の燃料／空気混合気旋回装置と、ｂ）下死点前約２００から下 死点後約乙Ｏ０まで各７リングに開放する各シリンダの少なくとも１つの入口ポ 　−　ト　と　、 Ｃ）前記少なくとも７つの入ロホートと加圧排気ガス源とを連結する導管装置と 、 ｄ）各７リング内で空気／燃料混合気の旋回と同じ方向に排気ガスを旋回させる 装置と、 からなることを特徴とする内燃機関。 ２）排気ガスはシリンダの内面の周りに旋回し、燃料／空気混合気はシリンダの 中央域で旋回することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の内燃機関。 ３）各７リング用の少なくとも１つの排気ガス入ロポートヲ形成する接線方向入 口装置を更に有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の内燃機関。 １１、）少なくとも１つの排気ガス人口ノートと加圧排気ガス源とを連結する導 管の各々に、可変なスロットルバルブ装置を更に有することを特徴とする請求の 範囲第３項に記載の内燃機関。 ｊ）各シリンダに、各シリンダの実質的に中央に位置する吸気バルブ装置を介し て、連結された気化器と、吸気ストローク中、可燃性燃料／空気混合気と、排気 ガスとを７リング内で成層させる装置とを備える多シリンダ内燃機関において、 前記成層させる装置は、 ａ）各シリンダの吸気バルブの上流に設けられた燃料／空気混合気旋回装置と、 ｂ）下死点前約乙Ｏ０から下死点後約乙ｏ０まで各シリンダに開放する各シリン ダの少なくとも／っの接線方向入口ポートと、 Ｃ）各接線方向入口ポートと加圧排気ガス源とを連結する導管装置と、 からなることを特徴とする内燃機関。 乙）加圧排気ガス源は、エンジンの点火順序で３乙ｏ０離れたシリンダから排出 されるガスであることを特徴とする請求の範囲第１項、又は第５項に記載の内燃 機関。 ７）ａ）吸気ストローク中、旋回路で空気、或は可燃性燃料／空気混合気をエン ジンシリンダ内へ差し向ける工程と、 ｂ）旋回路で排気ガスをシリンダ内へ接線方向に入れて、空気、又は燃料／空気 混合気と排気ガスの成層物を作る工程と、 ｃ）前記成層物を圧縮させる工程と、 ｄ）前記成層物に点火する工程と、 ｅ）成層物を膨張させて有用な仕事を生じさせる工程と、 ｆ）７９ンダを排気する工程と、 からなる少なくとも２つのシリンダからなる内燃機関の運転方法。