(57)【要約】【課題】排気再循環（ＥＧＲ）を行う火花点火機関において、ＥＧＲ量を増加しても良好な燃焼を維持する。【解決手段】吸気行程において、まず排気バルブ２６を開き、遅れて吸気バルブ２４を開く。吸気行程初期において、排気バルブの開度が、吸気バルブの開度より大きくなる期間を設けることにより、排気ポート２２からの燃焼ガスの吸い込み量を多くする。先に吸い込まれた燃焼ガス２８が気筒内の下方に分布し、遅れて吸い込まれた新規ガス３０が気筒内の上方、すなわちシリンダヘッドに配置された点火プラグおよびインジェクタの周囲に分布する。燃焼室全体としては多くの燃焼ガスを導入しつつ、新規ガスが分布する領域に燃料を噴射することで、燃焼を安定させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直前のサイクルの燃焼ガスを、吸気行程で排気バルブを開くことにより吸入して、排気再循環を行う火花点火機関であって、
排気再循環時の吸気行程において、吸気バルブの開度が最大となる前に、排気バルブの開度が吸気バルブの開度より大きい期間を設けた、
火花点火機関。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火機関であって、
排気バルブを吸気行程において開放する機構と、吸気バルブの開放期間の始点を遅らせる機構とを有し、吸気バルブの開放期間の始点を遅らせて、吸気行程の初期において、排気バルブの開度を吸気バルブの開度より大きくする、
火花点火機関。
【請求項３】
請求項２に記載の火花点火機関であって、排気バルブを吸気行程において開放する前記の機構は、排気バルブの開放期間の長さを変更可能である、火花点火機関。
【請求項４】
請求項２または３に記載の火花点火機関であって、吸気バルブの開放期間の始点を遅らせる前記の機構は、開放期間の始点の遅延量を変更可能である、火花点火機関。
【請求項５】
請求項１に記載の火花点火機関であって、
排気バルブの開放期間を吸気行程まで延長する機構を有し、この開放期間の延長によって、吸気行程の初期において、排気バルブの開度を吸気バルブの開度より大きくする、
火花点火機関。
【請求項６】
請求項５に記載の火花点火機関であって、排気バルブの開放期間を吸気行程まで延長する前記の機構は、排気バルブの開放期間の延長量を変更可能である、火花点火機関。
【請求項７】
請求項１に記載の火花点火機関であって、
排気バルブを吸気行程において開放する機構と、吸気バルブの開度を減少させる機構とを有し、吸気行程の初期において、排気バルブの開度を吸気バルブの開度より大きくする、
火花点火機関。
【請求項８】
請求項７に記載の火花点火機関であって、吸気バルブの開度の減少量を変更可能である、火花点火機関。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の火花点火機関であって、気筒の軸線に対する吸気ポート傾きが、排気ポートの傾きより大きい、火花点火機関。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の火花点火機関であって、吸気バルブと排気バルブの対向する方向に延び、気筒中心を通る軸線に対し、吸気バルブおよび排気バルブは対称に配置され、対称に動作する、火花点火機関。
【請求項１１】
直前のサイクルの燃焼ガスを、吸気行程で排気流路を開くことにより吸入して、排気再循環を行う火花点火機関であって、
排気再循環時の吸気行程において、吸気流路の開度が最大となる前に、排気流路の開度が吸気流路の開度より大きい期間を設けた、
火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火機関、特に燃焼ガスを気筒内に導入する排気再循環を行う火花点火機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火機関において、排出された燃焼ガスを、新規の混合気または空気と混合して気筒内に環流させる排気再循環（ＥＧＲ）を行うものが知られている。古くは、排気管と吸気管を繋ぐＥＧＲ用の管路を設け、排気の一部を吸気と混合している。近年、前記のようなＥＧＲ用の管路を設けず、吸気行程において排気バルブを開け、燃焼ガスを排気ポートから直接気筒内に導入する内部ＥＧＲと呼ばれる技術が提案されている。
【０００３】
下記特許文献１には、内部ＥＧＲを行う機関の例が示されている。吸気行程において、２個ずつある吸気バルブと排気バルブのうち、点火プラグを中心に対角的に配置されたもの同士を開き、気筒の軸線に直交する断面において、燃焼ガスの割合が多い領域と、新規のガスの割合が多い領域とを形成している。新規ガスの多い領域に燃料を噴射し、燃焼させることで、不完全燃焼の抑制を図っている。また、燃焼の安定化によって、多くの燃焼ガスの導入を可能とし、窒素酸化物の低減を図っている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９４２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の機関においては、それぞれ二つある吸気バルブ、排気バルブの一方を開いているために、吸入気流が気筒の中心に対してオフセットし、気筒の軸線に直交する断面において一方の半円部分が燃焼ガスの割合が多く、他方の半円部分が新規ガスの割合が多くなっている。このため、気筒中央にあるプラグの近傍に、新規ガスを分布させるのに不利となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の火花点火機関は、吸気行程において、吸気バルブの開度が最大となる前に、排気バルブの開度が吸気バルブの開度より大きくなる期間を有する。これにより吸気行程の初期において、直前サイクルの燃焼ガスを多く吸い込み、気筒内のピストンに近い領域に燃焼ガスを分布させる。一方、後から吸い込まれる新規ガスは、気筒内のシリンダヘッドに近い領域に分布する。よって、シリンダヘッドに配置される点火プラグ周辺には、新規ガスが分布し、燃焼の安定化に有利となる。また、燃焼が安定化すれば、ＥＧＲ量、即ち、燃焼ガスの導入量または割合をより多くすることが可能であり、窒素酸化物の発生量の低下に有利となる。
【０００７】
吸気行程における、燃焼ガスの導入は、排気行程において一旦閉じた排気バルブを吸気行程において再び開くことにより達成することができる。このとき吸気バルブの開放期間の始点を、ＥＧＲを行わない時に比べて遅らせることにより、吸気行程初期において排気バルブの開度を吸気バルブの開度に比べて大きくし、この期間のＥＧＲ量を多くする。
【０００８】
排気バルブの開放期間の長さを変更可能としてもよい。また、吸気バルブの開閉期間の始点の遅延量を変更可能としてもよい。これらを単独で、または組み合わせて実行することによりＥＧＲ量を変更することができる。
【０００９】
また、吸気行程における、燃焼ガスの導入は、排気行程において開放された排気バルブを、吸気行程まで継続して開くことにより達成することもできる。排気バルブは、排気行程から引き続き開放しているので、吸気行程初期において、吸気バルブの開度より大きな開度となっている。これにより、吸気行程初期におけるＥＧＲ量を多くする。
【００１０】
吸気行程まで延長された排気バルブの開放期間の延長量を変更可能としてもよい。延長量の変更によりＥＧＲ量を変更することができる。
【００１１】
さらにまた、吸気行程における燃焼ガスの導入は、排気行程において一旦閉じた排気バルブを吸気行程において再び開くことにより達成することができる。このとき、吸気バルブの開度を減少させるようにし、吸気行程初期において排気バルブの開度を吸気バルブの開度に比べて大きくし、この期間のＥＧＲ量を多くする。
【００１２】
また、吸気バルブの開度の減少量を変更可能としてもよく、この変更によりＥＧＲ量を変更することができる。
【００１３】
さらに、気筒の軸線に対する吸気ポートの傾きを排気ポートの傾きより大きくするようにできる。これにより、排気ポートから流れ込む気流は、気筒の奥、すなわちピストン頂面付近にまで導かれ、また吸気ポートから流れ込む気流は気筒のシリンダヘッドに近い部分に送り込まれる。
【００１４】
また、吸気バルブおよび排気バルブは、これらが対向する方向に延び、気筒中心を通る軸線に対し、対称に配置される。吸気バルブ２個、排気バルブ２個の４バルブ機関であれば、２個の吸気バルブは、前記軸線に対し対称に配置され、動作も対称に、つまり同じ動作を行う。２個の排気バルブも同様に、前記軸線に対し対称に配置され、動作も対称に行われる。
【００１５】
吸気流路および排気流路の開度については、きのこ型の吸排気バルブで調整することができるが、このバルブの他に、吸気流路、排気流路に別のバルブを設け、このバルブとの連携により、開度調整を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１および図２は、本実施形態の火花点火機関１０の気筒を中心とした要部構成を模式的に示す図である。図１は気筒の軸線を含む断面図であり、図２は気筒軸線に直交する断面を示す図である。図２に示す１−１線は、吸気バルブと排気バルブが対向する方向に延び、気筒の中心を通る軸線であり、図１は、この軸線１−１による断面図である。
【００１７】
ピストン１２は、シリンダボア１４内を、気筒軸線に沿って往復運動する。シリンダボア１４の上方にはシリンダヘッド１６が配置される。ピストン１２、シリンダボア１４およびシリンダヘッド１６により、これらに囲まれた空間である燃焼室１８が形成される。シリンダヘッド１６には、吸気流路となる吸気ポート２０と、排気流路となる排気ポート２２とが形成されている。吸気ポート２０の燃焼室１８に対する開口には、これを開閉するきのこ型の吸気バルブ２４が配置され、排気ポート２２の燃焼室１８に対する開口には、これを開閉するきのこ型の排気バルブ２６が配置されている。吸排気バルブ２４，２６は、それぞれ２個設けられ、図２に示す１−１線に対して対称に配置されている。また、吸排気バルブ２４，２６を開閉させる動弁機構には、必要に応じてバルブの開閉タイミング、リフト等を変更できる機構が採用されている。このような可変バルブ機構は、多くの形式が実用に供され、また様々な提案がなされており、適宜選択して採用することができる。また、このきのこ型のバルブにおいては、そのリフト量がバルブの開度に対応する。
【００１８】
図３は、ＥＧＲを実行するときのバルブリフト曲線の一例を示している。実線が排気バルブのリフト曲線を示し、破線が吸気バルブのリフト曲線を示す。この実線、破線の区別は以降のリフト曲線を示す図でも同様である。図３中の曲線１００は、排気行程における排気バルブのリフト曲線であり、ＥＧＲを行うか否かにかかわらず、排気行程における排気バルブの開閉は実行される。また、曲線１０２は、ＥＧＲを行わないときの吸気バルブのリフト曲線である。なお、以降の説明において、ＥＧＲを実行するときの運転状態を「ＥＧＲ実行時」、ＥＧＲを実行しないときの運転状態を「通常運転時」として説明する。
【００１９】
ＥＧＲ実行時には、排気行程における開放期間終了時に閉じられた排気バルブを、吸気行程において再び開く。このときの排気バルブのリフト曲線が図３中符号１０４ａ，１０４ｂで示されている。排気バルブの開放期間の始点は、吸気上死点（吸気ＴＤＣ）近傍であり、これは変化しない。開放期間の終点は連続的に、または段階的に変更可能となっており、これにより排気バルブ開放期間の長さが調節される。一方、吸気バルブは、曲線１０６ａ，１０６ｂで示されるように、開放期間の開始点が遅らされている。吸気バルブの開放期間の終点は、吸気下死点（吸気ＢＤＣ）付近であり変化せず、開放期間の始点が連続的に、または段階的に遅らせられる。ＥＧＲ量を多くする場合には、排気バルブ開放期間を長くするか、または吸気バルブ開放期間の開始点を遅らせる。さらには、これらの両方を行うこともできる。また、ＥＧＲ実行時の排気バルブ、吸気バルブの開放期間およびそのタイミングは、１種とすることもできる。
【００２０】
図１の吸排気バルブ２４，２６は、ＥＧＲ実行時の吸気行程の初期の状態が示されている。先に開いている排気バルブ２６のリフトが大きく、吸気バルブ２４は開き始めであり、リフトが小さい。排気バルブ２６が開放することにより、直前のサイクルで気筒から排気ポート２２内に排出された燃焼ガスが再び吸い込まれる。ピストン１２は下降しつつあり、吸い込まれた燃焼ガス２８は、ピストン１２に引かれて、気筒内の下方に導かれる。後から吸い込まれ始める新規ガスは、気筒内の上部に吸い込まれ始めている。
【００２１】
図４は、吸気行程の後期、排気バルブが閉じた後の状態を示す図である。気筒内の下部には、排気ポートより吸い込まれた燃焼ガス２８が分布し、排気バルブ２６が閉じた後、吸い込まれた新規ガス３０が気筒内の上部に分布する。吸気ＢＤＣ近傍にて吸気バルブ２４が閉じられると、燃焼ガス２８と新規ガス３０が成層化された状態で、圧縮行程が開始され、この行程末期の燃焼室容積が小さくなった状態でも、燃焼ガス２８と新規ガス３０が成層化された状態が維持されている。すなわち、シリンダヘッドに配置されるインジェクタ３２、点火プラグ（不図示）近傍に新規ガス３０が分布する。ここに、インジェクタ３２より燃料を噴射する。この状態が図５に示されている。
【００２２】
図５に示すように、噴射された燃料は周囲のガスを巻き込んで、混合気を形成する。混合気の分布が符号３４で示す実線で示されている。前述のように、インジェクタ３２の周辺は、新規ガス３０が多く、この新規ガスを巻き込みつつ混合気が形成される。これにより混合気の酸素濃度を高く維持することができ、ＥＧＲ実行時においても、良好な燃焼を維持することができる。
【００２３】
また、混合気の分布３４内でも、酸素濃度の差が生じる。図中破線で示す領域（符号３６で示す。）、すなわちインジェクタからの噴流がピストン１２の頂面に当たり再びシリンダヘッド側に巻き上がり始める付近に、過濃な混合気が形成され、その周囲では希薄な混合気となっている。過濃混合気の領域３６には、燃焼ガスが混入することが抑制されるため、酸素濃度を高く維持でき、過濃混合気であっても不完全燃焼が生じにくくなっている。また、混合気の分布３４の周辺部分では、希薄混合気となっており、通常であれば窒素酸化物が発生しやすい条件である。しかし、図示されるように、この部分では燃焼ガスが多く存在し、燃焼ガスによる燃焼温度の低下により、窒素酸化物の発生が抑制される。
【００２４】
このように、気筒内の下部に燃焼ガス２８を、上部に新規ガス３０を分布させることにより、過濃混合気が形成される領域においては、ＥＧＲによる燃焼ガスの割合が低下して燃焼の悪化が抑制され、希薄混合気となる領域においては、燃焼ガスの割合が高くなって窒素酸化物の発生が抑制される。
【００２５】
また、本実施形態においては、図２の１−１線に対して吸気バルブ２４、排気バルブ２６のそれぞれの配置が対称である。また、バルブの動作も対称、つまり２個の吸気バルブ２４、２個の排気バルブ２６は同一の動作を行う。これにより、気筒の軸線に直交する平面における渦の発生が抑制され、燃焼ガス、新規ガスの成層化がより達成しやすくなる。この実施形態においては、吸排気バルブ２個ずつの４バルブ構成となっているが、２バルブ、３バルブ、また５バルブなどの機関でも、１−１線に対応する軸線に対して、吸気バルブ、排気バルブをそれぞれ対称に配置することにより、渦の発生を抑制することができる。
【００２６】
図６は、燃焼ガスを燃焼室内に均質に分布させた場合（均質ＥＧＲ）と、本実施形態のように新規ガスと燃焼ガスを成層化した場合（成層ＥＧＲ）の、炭化水素（ＨＣ）と、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を比較した図である。横軸は窒素酸化物の発生量であり、縦軸は炭化水素の発生量である。ＥＧＲ量を増加していくと均質ＥＧＲ、成層ＥＧＲいずれの場合も、窒素酸化物の発生量は減少する。しかし、未燃の炭化水素は、均質ＥＧＲでは増大する。一方、成層ＥＧＲにおいてはほとんど増加は見られない。
【００２７】
以上のように、火花点火機関１０によれば、新規ガス、燃焼ガスの分布を成層化したことにより、多量の燃焼ガスを導入しても、排出される炭化水素の発生量の増加を伴わずに窒素酸化物の発生を減少させることができる。
【００２８】
図７は、ＥＧＲを実行するときのバルブリフト曲線の他の一例を示す図である。吸排気ポート、吸排気バルブの配置等は、図１等に示されたものと同様である。実線１００、破線１０２は、図３に示すものと同一のものであり、通常運転時の吸排気バルブのリフト曲線を示している。この例においては、吸気バルブのリフトは、ＥＧＲ実行時、通常運転時とも同一のものである。排気バルブのリフトは、ＥＧＲ実行時には通常運転時に比べ、開放期間が吸気行程の一部まで延長されている。このときのリフト曲線が符号１０８ａ，１０８ｂで示されている。排気バルブは、排気行程の初期においてリフトした後、閉じるタイミングが遅らされ、吸気行程初期においても、開いた状態が維持されている。図においては、最大リフトの状態が延長されているが、最大リフトに達した後、徐々に閉じるなどの他の曲線でもよい。排気バルブ開放期間の終端を吸気行程内にすれば、吸気行程初期においては、排気バルブの開度が吸気バルブに比べて大きい状態を作り出すことができる。
【００２９】
ＥＧＲ実行時の排気バルブの開放期間は、一定とすることもでき、また連続的に、または段階的に変更することもできる。開放期間を変更することにより、ＥＧＲ量を変更することができる。排気バルブ開放期間を延長する方が、ＥＧＲ量は多く、図７においては、リフト曲線１０８ａに比べリフト曲線１０８ｂとした方がＥＧＲ量が増加する。
【００３０】
図７に記載のリフト曲線を採用した場合も、吸気行程終期において、図４に示すように、燃焼ガス２８が気筒内下部に、新規ガス３０が気筒内上部に分布し、これを圧縮した状態も図５に示す状態となる。したがって、図３に記載のリフト曲線を採用したときと同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図８は、ＥＧＲを実行するときのバルブリフト曲線の更に他の一例を示す図である。実線１００、破線１０２は、図３に示すものと同一のものであり、通常運転時の吸排気バルブのリフト曲線を示している。ＥＧＲ実行時、排気行程で一旦閉じられた排気バルブは、吸気行程において再び開く。このときの排気バルブのリフト曲線が図８中符号１１０で示されている。このときの排気バルブの開放期間の始点は、吸気ＴＤＣ近傍であり、吸気バルブのそれとほぼ等しい。一方、吸気バルブのリフト曲線は、図８中符号１１２ａ，１１２ｂで示されている。このリフト曲線は、開放期間は一定であり、リフト量が小さくされたものである。図示されるように、吸気バルブのリフト量を小さくすることにより、吸気行程の初期において、排気バルブの開度が吸気バルブの開度より大きくなる期間を設けるることができる。
【００３２】
ＥＧＲ実行時の吸気バルブのリフト量は、一定とすることもでき、また連続的に、または段階的に変更することもできる。リフト量を変更することで、吸い込まれる燃焼ガスと新規ガスの量の比を変更することができ、ＥＧＲ量を変更することができる。吸気バルブのリフト量を小さくする方が、ＥＧＲ量が多く、図８においてはリフト曲線１１２ｂの方が、リフト曲線１１２ａよりＥＧＲ量が増加する。
【００３３】
図８に記載のリフト曲線を採用した場合も、吸気行程終期において、図４に示すように、燃焼ガス２８が気筒内下部に、新規ガス３０が気筒内上部に分布し、これを圧縮した状態も図５に示す状態と同様になる。したがって、図３に記載のリフト曲線を採用したときと同様の効果を得ることができる。
【００３４】
図９は、シリンダヘッド内の吸気ポート３８および排気ポート４０の他の構成例を示す図である。図９は、図２に示す１−１線における断面に、吸気ポート３８および排気ポート４０を正投影した図である。この図において、吸気ポート３８の略直線部分の軸線４２と気筒の軸線４４のなす角βINは、排気ポート４０の略直線部分の軸線４６と気筒の軸線４４のなす角βEXより大きくなっている。吸気行程において、排気ポート４０から吸い込まれる燃焼ガスは、排気ポート４０を流れているときの慣性により、矢印４８のように気筒内の下部に向けて流れ込む。一方、吸気ポート３８から吸い込まれる新規ガスは、矢印５０のように上部に流れ込む。このようなポート配置により、燃焼ガスと新規ガスの成層化に、より有利となる。
【００３５】
図１０は、インジェクタの異なる配置の例である。図１０は、図２の１−１線による断面を示す図である。インジェクタ５２は吸気バルブの間であって、気筒の中心から外れた位置に配置され、中心側に向けて燃料を噴射する。この例においては、ピストン５４頂部に凹部５６が設けられ、ここに向けて燃料が噴射され、この凹部の形状に応じた混合気の分布が形成される。混合気の分布が、符号５８で示す実線で示されている。また、過濃混合気の分布が符号６０で示す破線で示されている。この例においても、気筒内下部に燃焼ガス６２が、気筒内上部に新規ガス６４が分布し、噴射される燃料は、新規ガスを巻き込んで混合気を形成する。このため過濃混合気の部分の酸素量が確保されて不完全燃焼が抑制され、また混合気分布の周縁部分の希薄混合気となる部分では、周囲に燃焼ガス６２が分布することにより、窒素酸化物の発生が抑制される。
【００３６】
図３，７，８に記載のリフト曲線は、最も普及している、カムを用いた動弁機構の場合の曲線である。このため、リフト曲線は、なめらかに上昇し、下降する山形の曲線となる。しかし、流体圧を用いてバルブを動作させる動弁機構や、電磁力によりバルブを動作させる動弁機構を採用することができ、この場合には、リフト曲線は方形またはこれに近い形状とすることができる。
【００３７】
また、火花点火機関１０は、燃焼室に露出しているきのこ型の吸排気バルブにより、気筒内に流入するガスの制御を行うものであるが、これらのバルブに加え、吸気ポート、排気ポートなど吸排気の流路に別のバルブを設け、ガスの流れを制御することも可能である。例えば、吸気流路にバルブ（以下、吸気流路バルブと記す。）を設け、吸気バルブが開放している間においても、吸気流路バルブを閉じる、または部分的に閉じることにより新規ガスの供給量を抑えることができる。例えば、図３のリフト曲線１０６ａ，１０６ｂに対応するためには、ＥＧＲ実行時でも、吸気バルブは通常運転時と同様に曲線１０２のように動作し、吸気行程の初期においては、吸気流路バルブを閉じて新規ガスの供給を止め、その後これを開いて新規ガスを導入するようにできる。この場合の吸気流路の開度は、二つのバルブが最も開いたときの吸気流路の最小断面積に対する、そのときの吸気流路の最小断面積として定義できる。気流の流れやすさを示す指標であれば、他のパラメータを用いることもできる。排気流路についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態の火花点火機関１０の要部構成を示す図である。
【図２】火花点火機関１０の気筒の軸線に直交する断面を示す概略図である。
【図３】吸排気バルブの動作を示す図である。
【図４】吸気ＢＤＣ近傍の気筒内の新規ガスおよび燃焼ガスの分布を示す図である。
【図５】圧縮ＴＤＣ近傍の気筒内の新規ガス、燃焼ガスおよび燃料の噴射により形成された混合気の分布を示す図である。
【図６】炭化水素と窒素酸化物の発生量を、均質ＥＧＲと成層ＥＧＲで比較した図である。
【図７】吸排気バルブの他の動作例を示す図である。
【図８】吸排気バルブの更に他の動作例を示す図である。
【図９】吸排気ポートの配置の一例を示す図である。
【図１０】インジェクタの配置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  火花点火機関、１２  ピストン、２０  吸気ポート、２２  排気ポート、２４  吸気バルブ、２６  排気バルブ、２８  燃焼ガス、３０  新規ガス、３２  インジェクタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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