(57)【要約】【課題】燃焼室内で新気と還流される排気ガスとを分離した状態を維持し易い内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１は、シリンダ３と、シリンダ３内を往復運動するピストン１１の下降に伴うシリンダ３内の負圧を利用して燃焼室２内に新気を導入させる吸気ポート４とを備える。内燃機関１は、更に、複数の排気導入路５１とＥＧＲバルブ５２と開閉制御部５３とを備える。排気導入路５１は、シリンダ３の内周面におけるピストン１１の下死点の上部に開口する開口部５１１を有し、還流される排気ガスを燃焼室２内に導入する。ＥＧＲバルブ５２は、排気導入路５１を開閉する。開閉制御部５３は、運転状態に応じてＥＧＲバルブ５２を開閉する。複数の排気導入路５１は、燃焼室２内の新気の周りに排気ガスの旋回流を生じさせるようにシリンダ３の軸に対して螺旋状に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンの下降に伴う前記シリンダ内の負圧を利用して燃焼室内に新気を導入させる吸気ポートと、
前記シリンダの内周面における前記ピストンの下死点の上部に開口する開口部を有し、還流される排気ガスを前記燃焼室内に導入する複数の排気導入路と、
前記排気導入路を開閉するＥＧＲバルブと、
運転状態に応じて前記ＥＧＲバルブを開閉する開閉制御部とを備え、
前記複数の排気導入路は、前記燃焼室内の前記新気の周りに前記排気ガスの旋回流を生じさせるように前記シリンダの軸に対して螺旋状に形成されている内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。特に、燃焼室内で新気と還流される排気ガスとが分離した状態を維持し易い内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガスを燃焼室内に還流させる自動車の内燃機関として、特許文献１の内燃機関の排気ガス還流装置が知られている。この内燃機関の排気ガス還流装置は、１気筒当たり並列する２つの吸気ポートを備え、ピストンが下降する吸気行程において、燃料を一方の吸気ポートから燃焼室内に供給し、還流された排気ガスを他方の吸気ポートから燃焼室内に供給している。そうして、燃焼室内で燃料による縦方向層状渦流と排気ガスによる縦方向層状渦流との並列する２層のタンブル流を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−４２０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、並列するタンブル流は、吸気行程から圧縮行程において分離した状態を維持できず混合する虞がある。特に、排気ガスが燃焼室内に導入されてから点火までの時間が長いため、並列するタンブル流は混合し易い。
【０００５】
本発明の目的の一つは、燃焼室内で新気と還流される排気ガスとが層状に分離した状態を維持し易い内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る内燃機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンの下降に伴う前記シリンダ内の負圧を利用して燃焼室内に新気を導入させる吸気ポートと、
前記シリンダの内周面における前記ピストンの下死点の上部に開口する開口部を有し、還流される排気ガスを前記燃焼室内に導入する複数の排気導入路と、
前記排気導入路を開閉するＥＧＲバルブと、
運転状態に応じて前記ＥＧＲバルブを開閉する開閉制御部とを備え、
前記複数の排気導入路は、前記燃焼室内の前記新気の周りに前記排気ガスの旋回流を生じさせるように前記シリンダの軸に対して螺旋状に形成されている。
【発明の効果】
【０００７】
上記内燃機関は、燃焼室内で新気と還流される排気ガスとを層状に分離した状態を維持し易い。排気ガスが新気の周りに旋回流を形成するように導入されるからである。特に、従来に比べて、排気ガスが燃焼室内に導入されてから点火までの時間を短くできるからである。排気導入路の開口部はピストンの下死点の上部に設けられていて、ＥＧＲバルブが開くのは、吸気行程でピストンの頂面が開口部を通過する前とすることができる。そのため、排気ガスの燃焼室内への導入のタイミングを、従来のようなピストンが上死点近傍に位置するときではなく、ピストンが下降して開口部を通過した直後、即ち、ピストンが上死点よりも下死点側に位置するときとすることができる。このように、新気と排気ガスとを層状に分離した状態を維持し易いことで、新気の空燃比が維持され、燃焼速度が遅くなり難いので、失火し難い。そのため、排気ガスの導入量を多くできて、ポンピングロスや冷却損失を低減できる。また、燃焼速度が遅くならないので機械効率も向上できる。従って、燃費を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１に係る内燃機関の概略を示す部分断面図である。
【図２】実施形態１に係る内燃機関に備わる排気導入路の概略を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の内燃機関の実施形態１を、図１、図２を参照しつつ以下に説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。図２中の矢羽根矢印は、各排気導入路５１から燃焼室２内に導入された排気ガスの流れを示す。
【００１０】
《実施形態１》
〔内燃機関〕
実施形態１に係る内燃機関１は、４サイクルエンジンであり、吸気、圧縮、燃焼・膨張、及び排気の４つの行程を順に経て、空気（新気）と燃料（ガソリン）との混合気を燃焼室２で燃焼して排気ガスを排出する。この内燃機関１は、シリンダ３と、燃焼室２内に新気（空気）を導入させる吸気ポート４とを備える。燃料を噴射するインジェクタは、図示を省略しているが、ポート噴射式と直噴式のいずれでもよい。混合気を燃焼する点火プラグ１４は、燃焼室２の上部の略中央に露出するようにシリンダヘッド１２に取り付けられている。排気ガスは、シリンダヘッド１２に形成され、シリンダ３の上部に開口する開口部を有する排気ポート１５から排出される。排気ポート１５の開口部は、シリンダヘッド１２に昇降可能に設けられる排気バルブ１７により開閉される。具体的には、排気バルブ１７が下降すると、排気ポート１５の開口部が開く。それにより、燃焼室２内の燃焼ガスは排気ポート１５に送られて排気ガスとなる。排気バルブ１７が上昇すると、排気ポート１５の開口部が閉じる。それにより、燃焼室２内の流体の排気ポート１５への流通が遮断される。この内燃機関１の特徴の一つは、吸気行程において、燃焼室２内で特定の気流となるように排気ガスを燃焼室２内に還流させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）機構５を備える点にある。以下、各構成を詳細に説明する。
【００１１】
［シリンダ］
シリンダ３は、往復運動するピストン１１を内部に収納し、その内部にピストン１１の頂面とシリンダヘッド１２と吸気・排気バルブ１６，１７とで燃焼室２を形成する。シリンダ３は、シリンダブロック１３に形成される。
【００１２】
［吸気ポート］
吸気ポート４は、吸気行程でピストン１１の下降に伴うシリンダ３内の負圧を利用して燃焼室２内に新気を導入させる。吸気ポート４は、シリンダヘッド１２に形成され、シリンダ３の上部に開口する開口部を有する。吸気ポート４の開口部は、シリンダヘッド１２に昇降可能に設けられる吸気バルブ１６により開閉される。具体的には、吸気バルブ１６が下降すると、吸気ポート４の開口部が開く。それにより、吸気ポート４から燃焼室２内に新気が導入される。このとき、インジェクタがポート噴射式の場合、新気に加えて燃料（新気と燃料との混合気）が燃焼室２内に導入される。吸気バルブ１６が上昇すると、吸気ポート４の開口部が閉じる。それにより、吸気ポート４と燃焼室２との間での流体の流通が遮断される。
【００１３】
吸気ポート４の開閉のタイミングは、内燃機関１の運転状態に応じて可変であることが好ましい。具体的には、吸気ポート４の開口部が閉じるタイミングは、内燃機関１が低負荷の場合、吸気行程で後述の排気導入路５１の開口部５１１が開く直前が好ましい。そうすれば、詳しくは後述するが、還流される排気ガスを燃焼室２に効率よく導入させ易い。一方、内燃機関１が高負荷の場合、圧縮行程でピストン１１が下死点から上昇した少し後が好ましい。そうすれば、多量の新気を燃焼室２内に導入できるため、体積効率ηｖを高められる。即ち、それらのタイミングとなるように吸気バルブ１６を昇降させる。具体的には、内燃機関１の負荷に応じて吸気バルブ１６を昇降させるタイミングが可変である可変バルブタイミングシステム（図１では吸気バルブのみを示しそれ以外は図示略）を利用できる。図１では、ピストン１１が下死点に位置する状態を実線で示している。
【００１４】
［排気再循環機構］
排気再循環機構５は、排気ガスを吸気行程で燃焼室２内に還流させる。この排気再循環機構５は、複数の排気導入路５１と、各排気導入路５１を開閉するＥＧＲバルブ５２と、ＥＧＲバルブ５２を開閉する開閉制御部５３とを備える。
【００１５】
（排気導入路）
各排気導入路５１は、還流される排気ガスを燃焼室２に導入する。燃焼室２に排気ガスを導入することで、燃焼室２の酸素量が減って燃焼温度が低下するので、燃料噴射量を低減できて燃費を向上できる上にＮＯｘの生成量を低減できる。
【００１６】
複数の排気導入路５１は、燃焼室２内の新気（図２では説明の便宜上、２点鎖線で囲っている）の周りに排気ガスの旋回流を生じさせるようにシリンダ３の軸（図２紙面垂直方向）に対して螺旋状に形成されている。図１では、説明の便宜上、排気導入路５１を直線状に示している。本例では排気ガスの旋回流の流れは、反時計回り（図２）かつピストン１１の上昇方向に沿った方向である。即ち、各排気導入路５１は、各排気導入路５１を流通する排気ガスを上向き方向に沿って流通させるように形成されている（図１）。このように、新気の周りに旋回流の排気ガスの層を形成できるため、圧縮行程で新気と排気ガスとが混合し難く、新気と排気ガスとを分離して新気の周りに排気ガス層を形成した状態を維持し易い。その上、新気をシリンダ３の中心に形成できるので、排気ガス層を点火プラグ１４から離隔して点火プラグ１４の近傍に少なくできて、新気を点火プラグ１４の近傍に多くできる。そのため、燃焼速度が遅くなり難いので、失火し難い。従って、排気ガスの導入量を多くできる。それにより、ポンピングロスや冷却損失を低減でき、燃費を向上できる。
【００１７】
各排気導入路５１の一端は、シリンダ３の内周面におけるピストン１１の下死点の上部に開口する開口部５１１を有し、各排気導入路５１の他端は、排気ポート１５を流通する排気ガスを各排気導入路５１に導く還流路５０に連通している。シリンダ３の周方向に沿った各開口部５１１の位置は、本例では互いに等間隔となる位置としている（図２）。そうすれば、燃焼室２内で排気ガスの気流が乱れ難い。シリンダ３の上下方向に沿った各開口部５１１の位置は、同じ位置、即ち、複数の開口部５１１は、同一平面上に位置している（図１）。そうすれば、各排気導入路５１から燃焼室２内へ排気ガスを導入するタイミングを同一にできる。そのため、各排気導入路５１から燃焼室２内に排気ガスを均等に導入できる。排気ガスは、排気ガス圧とピストン１１の下降に伴うシリンダ３内の負圧を利用して燃焼室２内に導入されるため、ピストン１１の下降時にピストン１１が開口部５１１を通過した際に排気ガスが導入され始めるからである。
【００１８】
シリンダ３の上下方向に沿った各開口部５１１の位置は、下死点近傍に位置するピストン１１の頂面よりも上方で、ピストン１１の下死点側が好ましい。そうすれば、排気ガスが燃焼室２内に導入されてから点火までの時間を短くできる。そのため、新気と排気ガスとを分離して新気の周りに排気ガス層を形成した状態を維持し易い上に、点火プラグ１４の近傍に新気を多くできる。ピストン１１の下降時にピストン１１が開口部５１１から下死点まで移動する間の長さが過度に長過ぎると、排気ガスが燃焼室２内に導入されてから点火までの時間が長くなり、新気と排気ガスとが混合され易くなるからである。開口部５１１の位置は、下死点と上死点との中間よりも下死点側が好ましい。ここでは、ピストンの下死点よりも少し上としている。
【００１９】
（ＥＧＲバルブ）
ＥＧＲバルブ５２は、排気ガスを各排気導入路５１に導く還流路５０に設けられ、還流路５０を開閉して排気導入路５１を流通する排気ガスの流通量を調整する。それにより、燃焼室２内への排気ガスの導入量を調整できる。ＥＧＲバルブ５２を複数の排気導入路５１を集約する還流路５０に設けていることで、一つのＥＧＲバルブ５２の開閉動作で全ての排気導入路５１への排気ガスの供給・遮断を行える。ＥＧＲバルブ５２は、電動バルブを利用できる。なお、各排気導入路５１にＥＧＲバルブを設けても構わない。
【００２０】
（開閉制御部）
開閉制御部５３は、ＥＧＲバルブ５２を開閉する。このＥＧＲバルブ５２の開閉は、内燃機関１の負荷に応じて行うとよい。具体的には、開閉制御部５３は、内燃機関１が低負荷のときＥＧＲバルブ５２を開き、内燃機関１が高負荷のとき、ＥＧＲバルブ５２を閉じた状態とする。高負荷時にＥＧＲバルブ５２を閉じた状態とするのは、多量の新気を燃焼室２内に導入して高出力を得るためであり、排気ガスを燃焼室２内に導入する必要がないからである。内燃機関１の低負荷時において、ＥＧＲバルブ５２を開くタイミングは、吸気行程におけるピストン１１の下降時に、ピストン１１の頂面が開口部５１１を通過する前とする。そうすれば、効率よく排気ガスを燃焼室２内に供給できる。ＥＧＲバルブ５２を開くタイミングは、ピストン１１が下降して開口部５１１を通過した直後に排気ガスが燃焼室２内に導入されるように調整することが好ましい。排気ガスの燃焼室２内への導入は、上述のように排気ガス圧とピストン１１の下降に伴うシリンダ３内の負圧を利用するからである。排気ガスが導入されるのは、ピストン１１の下降時にピストン１１が開口部５１１を通過してから下死点に到達後、ピストン１１が上昇して開口部５１１を閉じるまでの間である。内燃機関１の低負荷時において、ＥＧＲバルブ５２を閉じるタイミングは、ピストン１１の下死点からの上昇時にピストン１１が開口部５１１を閉じるときが好ましい。開閉制御部５３は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１８を利用できる。
【００２１】
（その他）
排気再循環機構５は、更に、排気ガスの排気導入路５１から燃焼室２内への流通を許容し、燃焼・膨張行程で燃焼した燃焼ガスの燃焼室２内から排気導入路５１内への流通を抑制する逆止弁５４を備えることが好ましい。逆止弁５４の配置箇所は、各排気導入路５１の開口部５１１近傍（開口部５１１を含む）とすることが好ましい。そうすれば、燃焼ガスが排気導入路５１内に残存することを抑制し易い。逆止弁５４は、例えば、リードバルブを利用できる。リードバルブは、排気導入路５１から燃焼室２内へ向かって流通する排気ガスの圧力で開き、燃焼室２内から排気導入路５１へ向かう燃焼ガスの圧力で閉じるため、電子制御することなく燃焼ガスの燃焼室２内から排気導入路５１への流通を抑制できる。逆止弁５４は、電子制御により開閉する電動バルブを利用することもできる。
【００２２】
［動作説明］
内燃機関１の低負荷時及び高負荷時のそれぞれの動作を説明する。
【００２３】
（低負荷時）
吸気行程において、ピストン１１が上死点から下降する。このとき、ＥＧＲバルブ５２は閉じており、吸気ポート４及び排気ポート１５の開口部は開いている。この吸気行程の直前の排気行程において、排気バルブ１７は下降し、吸気バルブ１６はピストン１１が上昇して上死点に近づく少し前で下降するためである。ピストン１１の下降直後に排気バルブ１７が上昇して排気ポート１５の開口部を閉じる（図１に実線で示す）。それにより、ピストン１１が下降するにつれてシリンダ３内が負圧になるため、吸気ポート４から新気（燃料との混合気）が燃焼室２内に導入される。図１に二点鎖線で示すようにピストン１１が排気導入路５１の開口部５１１を通過する前に、図１に実線で示すように吸気バルブ１６が上昇して吸気ポート４の開口部を閉じることで排気ガスの導入量を増やすことができる。吸気ポート４の開口部が閉じたら、開閉制御部５３がＥＧＲバルブ５２を開く。ピストン１１が開口部５１１を通過してからピストン１１が上昇して開口部５１１を閉じるまでの間、シリンダ３内の負圧と排気ガス圧で排気導入路５１から排気ガスが燃焼室２内に導入される。導入された排気ガスは、螺旋状の排気導入路５１を流通することで、図２に示すように、新気の周りに旋回流を形成する。それにより、中心の新気の層とその外周の排気ガスの層とに分離できる。
【００２４】
圧縮行程において、ピストン１１が下死点から上昇し、ピストン１１が開口部５１１を通過するタイミングで開閉制御部５３がＥＧＲバルブ５２を閉じる。そうして、排気ガスの各排気導入路５１から燃焼室２内への導入が停止される。この上昇により、燃焼室２内の新気（燃料との混合気）と排気ガスとが圧縮される。
【００２５】
その後、圧縮された混合気は燃焼・膨張行程で点火プラグ１４により点火されて燃焼する。燃焼ガスは、排気行程で燃焼室２内から排気ポート１５へ排出されて排気ガスとなり、排気ガスの一部は還流路５０を通って各排気導入路５１へ送られる。
【００２６】
（高負荷時）
高負荷時は、吸気行程において、ピストン１１の下降時にピストン１１が排気導入路５１の開口部５１１を通過しても、吸気バルブ１６が上昇せず吸気ポート４の開口部は開いたままである点と、開閉制御部５３がＥＧＲバルブ５２を開かない点とが、低負荷時と相違する。即ち、吸気ポート４の開口部は、吸気行程でピストン１１が下死点に到達しても閉じない。その上、ＥＧＲバルブ５２は閉じたままであるので、還流された排気ガスは、排気導入路５１を通って燃焼室２内に導入されない。そのため、燃焼室２内は、実質的に新気と燃料との混合気のみである。吸気ポート４の開口部は、圧縮行程で下死点から上昇した少し後に吸気バルブ１６が上昇することで閉じる。
【００２７】
〔作用効果〕
実施形態に係る内燃機関１は、以下の効果を奏することができる。
【００２８】
（１）低負荷時には、排気ガスの導入量を多くできるため、ポンピングロスや冷却損失を低減できて燃費を向上できる。それは、燃焼速度が遅くなり難いので、失火し難いからである。排気ガスが新気の外周に旋回流を形成するように導入されるため、燃焼室２内で新気と排気ガスとが層状に分離した状態を維持し易い。特に、排気ガスを燃焼室２内に導入するタイミングがピストン１１の下降時における下死点近傍であり、排気ガスが燃焼室２内に導入されてから点火までの時間を短くできるからである。その上、新気を中心に形成できて新気を点火プラグ１４の近傍に多くできる。
【００２９】
（２）高負荷時には、体積効率ηｖを高められる。吸気行程において、ピストン１１の下降時にピストン１１が排気導入路５１の開口部５１１を通過してもＥＧＲバルブ５２が閉じた状態であり、ピストン１１が下死点に到達しても吸気ポート４の開口部が開いた状態であるため、慣性により多量の新気を燃焼室２内に導入できるからである。
【００３０】
本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の内燃機関は、排気再循環機構を備える自動車などの内燃機関に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３２】
１  内燃機関
２  燃焼室
３  シリンダ
４  吸気ポート
５  排気再循環機構
５０  還流路
５１  排気導入路
５１１  開口部
５２  ＥＧＲバルブ
５３  開閉制御部
５４  逆止弁
１１  ピストン
１２  シリンダヘッド
１３  シリンダブロック
１４  点火プラグ
１５  排気ポート
１６  吸気バルブ
１７  排気バルブ
１８  ＥＣＵ
【図１】
2018189031.tif 000003
【図２】
2018189031.tif 000004