JP2010031688A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷運転域におけるポンピング損失を低減できる火花点火式内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気通路１６の枝管部１６ａの吸気制御弁２０より下流側に、外部ＥＧＲ通路４１を接続し、該外部ＥＧＲ通路４１にＥＧＲガスの気筒側への流れのみを許容するＥＧＲ逆止弁４６を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各気筒に連通する吸気通路に吸気制御弁を配置するとともに、該吸気制御弁をバイパスするバイパス通路を設けた火花点火式内燃機関に関する。

理論空燃比（λ＝１）運転を行う内燃機関では、外部ＥＧＲ又は内部ＥＧＲを行うことで燃費を改善してＮＯXの低減を図るとともに、横渦（スワール）又は縦渦（タンブル）等の吸気渦流の生成により耐ＥＧＲ限界を高めることが提案されている。例えば、特許文献１には、部分負荷運転時に気筒内において横渦又は縦渦の吸気渦流を生成させるために、吸気通路に吸気制御弁を配置するとともに、該吸気制御弁をバイパスするバイパス通路を設けた構造が提案されている。
特許第３５５９１３０号（図４）

ところで、前記従来技術のように吸気制御弁をバイパスするバイパス通路を設けた場合、部分負荷運転域においては、吸気管内は、常に吸気下死点時の負圧に近い負圧状態となっている。このため吸気弁の開き始めから、負圧が燃焼室に作用することとなり、ポンピング損失が増大するといった問題が懸念される。

本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされたもので、部分負荷運転域におけるポンピング損失を低減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。

請求項１の発明は、複数の気筒と、該各気筒に連通する枝管部及び該各枝管部を集合させる吸気集合部を含む吸気通路と、前記吸気集合部に配設された１つのスロットル弁と、前記各枝管部に配設された吸気制御弁と、該各吸気制御弁をバイパスするよう設けられ、各気筒内において吸気渦流を生成させるバイパス通路と、該バイパス通路に設けられ、吸気流の前記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、前記各枝管部の吸気制御弁より下流側に外部ＥＧＲ通路を接続し、該外部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、前記吸気集合部と前記枝管部との間に１つのサージタンクが介在されており、前記吸気制御弁は、前記枝管部の前記サージタンクへの接続部近傍に配設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、前記外部ＥＧＲ通路は、前記枝管部の下流側端部に接続されていることを特徴としている。

請求項１の発明に係る火花点火式内燃機関によれば、吸気通路の各枝管部の吸気制御弁より下流側に外部ＥＧＲ通路を接続し、該外部ＥＧＲ通路に逆止弁を設けたので、例えば吸気行程の開始前にＥＧＲガスを枝管部に導入することにより、枝管部内の負圧を低減できる。その結果、吸気弁の開き始めの吸気負圧が低減されることから、ポンピング損失を低減でき、燃費の向上を図ることができる。

また枝管部に導入されたＥＧＲガスは、吸気弁の吸気開口部の周囲全体から気筒内に流入するのに対し、新気は、バイパス通路から前記吸気開口部の一部から気筒内に流入するので、新気割合の高い吸気流とＥＧＲガスとが成層状態となって気筒内に噴出されることとなる。その結果、火炎伝播が急速に行われることとなり、多量のＥＧＲを行うことができ、ポンピング損失をより低減できる。

請求項２の発明では、吸気制御弁を吸気通路の枝管部の上流側端部に配設したので、吸気制御弁から吸気開口部までの通路容積を大きくすることができ、それだけ多量の内部ＥＧＲと、または外部ＥＧＲを蓄えることができ、この点からより一層ポンピング損失を低減でき、燃費を向上できる。

請求項３の発明では、外部ＥＧＲ通路を吸気通路の枝管部の下流端部に接続したので、ＥＧＲガスを吸気開口近傍に留めることができ、過渡期の応答性を良好にできる。即ち、吸気通路の枝管部全域にＥＧＲガスを滞留させた場合は、アクセルを急に開けた場合でもＥＧＲガスが気筒内に流入するので出力が増加せず、従ってアクセル応答性が悪くなる。

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、本発明の一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は内燃機関の断面図である。

図において、１は４サイクル多気筒火花点火式内燃機関を示している。該内燃機関１は、４つのシリンダボア（気筒）２ａが並列に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５を摺動自在に挿入するとともに、該ピストン５を、コンロッド６を介してクランク軸４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７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７に連通する１つの吸気開口３ｂと１つの排気開口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、クランク軸４と平行な直線ｃを挟んだ一側，他側に配置され、かつ前記直線ｃを挟んで対向している。

前記吸気開口３ｂ，排気開口３ｃには、それぞれ吸気弁８，排気弁９が配設され、該吸気弁８，排気弁９はそれぞれ吸気カム軸１０，排気カム軸１１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１２，１２が燃焼凹部３ａ内に臨むよう装着されている。この各点火プラグ１２は、略前記直線ｃ上で、かつ吸気弁８，排気弁９の両側に位置するよう配置されている。

前記吸気開口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１３が接続されている。該各排気管１３の下流端には１本の排気合流管１４が接続されており、該排気合流管１４の中途部には排ガスの浄化を行う触媒１５が介設され、下流端にはマフラ（不図示）が接続されている。

前記シリンダヘッド３には吸気通路１６が接続されている。この吸気通路１６は、前記気筒毎の吸気ポート３ｄと、該各吸気ポート３ｄに接続された気筒毎の枝管部１６ａと、該４つの枝管部１６ａが接続されたサージタンク１７と、該サージタンク１７に接続された吸気集合管１８とを有する。なお、吸気集合管１８にはエアクリーナ１９が接続されている。

前記吸気集合管１８のサージタンク１７への接続部近傍には、１つのスロットル弁２３が配設されている。

前記各枝管部１６ａの下流端部には、燃料噴射弁２１が吸気ポート３ｄの軸芯に指向するよう装着されている。該燃料噴射弁２１は、前記吸気弁６の弁裏中心部に向けてガソリン等の液体燃料又はプロパン等のガス燃料を噴射供給するよう配置されている。

前記各枝管部１６ａのサージタンク１７への接続部近傍には、吸気制御弁２０が配設されている。この各吸気制御弁２０は、共通の弁軸２０ａにより連結されており、該弁軸２０ａに接続された駆動モータ２９により一体に開閉駆動される。

前記各枝管部１６ａには、前記吸気制御弁２０をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。該各バイパス通路３６は、前記シリンダボア２ａ内で横渦又は縦渦の吸気渦流Ａが生成するよう空気を方向付けして噴出するものであり、前記枝管部１６ａの下部にこれに沿うように形成されている。

前記各バイパス通路３６の下流端口３６ａは、前記吸気ポート３ｄの吸気開口３ｂの近傍に接続され、上流端口３６ｂは、前記サージタンク１７に接続されている。

前記各バイパス通路３６の上流端部には、吸気逆止弁３５が配設されている。該吸気逆止弁３５は、サージタンク１７から気筒側への空気流のみを許容し、逆方向への流れを阻止するものである。

前記内燃機関１は、前記各排気管１３から排気集合管１４を流れる排気ガスの一部を燃焼室７に還流させるＥＧＲ装置４０を備えている。

該ＥＧＲ装置４０は、前記排気合流管１４の触媒１５の上流側に接続された１本のＥＧＲ導入管（外部ＥＧＲ通路）４１と、該ＥＧＲ導入管４１の途中に介設され、ＥＧＲガスを所定温度に冷却するＥＧＲ冷却器４２と、該ＥＧＲ冷却器４２の下流側に介設されたＥＧＲ制御弁４３と、を備えている。また前記ＥＧＲ導入管４１のＥＧＲ冷却器４２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４４が介設されている。

前記ＥＧＲ導入管４１は、前記各枝管部１６ａの吸気制御弁２０より下流側に接続されており、詳細には以下の構造を有する。

前記各枝管部１６ａの吸気制御弁２０より下流側には、ＥＧＲ導入口４１ａが形成されており、該各ＥＧＲ導入口４１ａは、１つのＥＧＲ分配管４１ｂに接続されている。該ＥＧＲ分配管４１ｂに前記ＥＧＲ導入管４１が接続されている。

前記各ＥＧＲ導入口４１ａには、ＥＧＲ逆止弁４６が配設されている。このＥＧＲ逆止弁４６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リード弁型のものである。

前記吸気制御弁２０，ＥＧＲ制御弁４３は、ＥＣＵ３３により該内燃機関１の運転状態に応じて開閉制御される。該ＥＣＵ３３は、例えば、低・中負荷時の部分負荷運転域では、吸気制御弁２０を閉じるとともに、ＥＧＲ制御弁４３を開けるよう制御する。

本実施形態によれば、各枝管部１６ａの吸気制御弁２０下流側にＥＧＲ導入管４１を接続し、該ＥＧＲ導入管４１の各ＥＧＲ導入口４１ａにＥＧＲ逆止弁４６を配設したので、吸気行程の前にＥＧＲガスを枝管部１６ａに導入することにより、該枝管部１６ａ内の負圧を低減できる。その結果、吸気弁８の開き始めの吸気負圧が低減されることから、ポンピング損失を低減でき、燃費の向上を図ることができる。

また前記枝管部１６ａに導入されたＥＧＲガスは、吸気弁８の吸気開口３ｂの全周からシリンダボア２ａ内に流入するのに対し、新気は、バイパス通路３６を通って前記吸気開口３ｂの一部からシリンダボア２ａ内に流入するので、新気割合の高い吸気流ＡとＥＧＲガスとが成層状態となって気筒内に噴出されることとなる。その結果、火炎伝播が急速に行われることとなり、多量のＥＧＲを行うことができ、ポンピング損失をより低減できる。

標準的な多気筒内燃機関では、各気筒に連通する枝管部１６ｂの上流側集合管１８にスロットル弁２３を配置している。このため部分負荷運転域では、前記各枝管部１６ａには常に吸気行程の下死点時に近い高負圧が存在しており、該高負圧が吸気弁８の開き始めからシリンダボア内に作用することとなり、ポンピング損失が生じ易くなっている。

本実施形態では、各枝管部１６ａに吸気制御弁２０を設けると共に、バイパス通路３６に吸気逆止弁３５を設け、吸気行程の前にＥＧＲガスを枝管部１６ａに導入するようにしたので、前記負圧を低減できる。しかも前記バイパス通路３６によりシリンダボア２ａ内に強い吸気渦流Ａを生成するようにしたので、燃焼安定性が高いため多量のＥＧＲが可能となる。

このように本実施形態では、例えば、可変バルブタイミング機構を用いることなく、部分負荷運転域から高負荷運転域まで広範囲に燃費を改善できる。即ち、可変バルブタイミング機構により内部ＥＧＲの増量を図る場合には、部分負荷域では問題はないものの、高負荷域では、内部ＥＧＲにより圧縮混合気が温度上昇し、耐ノッキン性能が低下し、十分な効果が得られにくい。

これに対して本実施形態では、ＥＧＲ冷却器４２により冷却された外部ＥＧＲを枝管部１６ａに導入する一方、他気筒の吸気負圧の影響を受けないように吸気制御弁２０と吸気逆止弁３５とを配置したので、これらの構成によって、より一層のポンピング損失の低減が可能となり、燃料消費量を抑制できる。

本実施形態では、前記吸気制御弁２０を枝管部１６ａの上流側端部に配設したので、該枝管部１６ａの吸気制御弁２０から吸気弁８までの通路容積を大きくすることができ、それだけ内部ＥＧＲと、または外部ＥＧＲを蓄えることができ、燃費性能を向上できる。

なお、前記実施形態では、ＥＧＲ導入管４１のＥＧＲ導入口４１ａを枝管部１６ａの吸気制御弁２０下流側近傍に接続したが、本発明では、外部ＥＧＲ通路を枝管部１６ａの下流端部，例えば吸気ポート３ｄへの接続部に接続してもよい。このようにした場合には、ＥＧＲガスを吸気開口近傍に滞留させることにより、過渡期の応答性を良好にできる。即ち、枝管部１６ａ全域にＥＧＲガスを滞留させる場合には、例えばアクセルを急にあけた場合でもＥＧＲガスがシリンダ内に導入される間は出力が増加しにくいため、アクセル応答性が悪くなる。

本発明の一実施形態による火花点火式内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ａ シリンダボア（気筒）、
１６ 吸気通路
１６ａ 枝管部
１７ サージタンク
１８ 吸気集合管（吸気集合部）
２０ 吸気制御弁
２３ スロットル弁
３５ 吸気逆止弁
３６ バイパス通路
４１ 外部ＥＧＲ通路
４６ ＥＧＲ逆止弁
Ａ 吸気渦流

Claims (3)

1. 複数の気筒と、
   該各気筒に連通する枝管部及び該各枝管部を集合させる吸気集合部を含む吸気通路と、
   前記吸気集合部に配設された１つのスロットル弁と、
   前記各枝管部に配設された吸気制御弁と、
   該各吸気制御弁をバイパスするよう設けられ、各気筒内において吸気渦流を生成させるバイパス通路と、
   該バイパス通路に設けられ、吸気流の前記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、
   前記各枝管部の吸気制御弁より下流側に外部ＥＧＲ通路を接続し、
   該外部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、
   前記吸気集合部と前記枝管部との間に１つのサージタンクが介在されており、前記吸気制御弁は、前記枝管部の前記サージタンクへの接続部近傍に配設されている
   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、
   前記外部ＥＧＲ通路は、前記枝管部の下流側端部に接続されている
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。

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