(57)【要約】【課題】  ＥＧＲを行う場合、特に、ストイキ運転時にＥＧＲを行う場合において、製造コストを安価に抑え、且つ、燃費の改善を図ることができる内燃エンジンを提供する。【解決手段】  エンジンの各気筒の燃焼室内に導入される排ガス量を可変制御可能な排ガス還流手段(50)と、燃焼室に連通する吸排気ポートとは別個に配設され、各燃焼室にそれぞれ連通する分岐ポート(31,32,33,34)と、各分岐ポートを連通する連通室(20)と、各分岐ポートにそれぞれ配設され、分岐ポートと燃焼室との連通又は遮断を切り換えるポート開閉弁(21,22,23,24)と、排ガス還流手段による燃焼室内への排ガス導入中に、燃焼室に加圧空気を供給すべく、ポート開閉弁を開閉制御する制御手段(61)とを含むよう構成する。【選択図】      図１
2005207244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの各気筒の燃焼室内に導入される排ガス量を可変制御可能な排ガス還流手段と、
前記燃焼室に連通する吸排気ポートとは別個に配設され、前記各燃焼室にそれぞれ連通する分岐ポートと、
該各分岐ポートを連通する連通室と、
前記各分岐ポートにそれぞれ配設され、該分岐ポートと前記燃焼室との連通又は遮断を切り換えるポート開閉弁と、
前記排ガス還流手段による前記燃焼室内への排ガス導入中に、該燃焼室に加圧空気を供給すべく、前記ポート開閉弁を開閉制御する制御手段と
を含むことを特徴とする内燃エンジン。
【請求項２】
前記制御手段は、前記連通室に加圧空気を貯留すべく、所定気筒の圧縮行程後半に該所定気筒のポート開閉弁を一時的に開閉制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項３】
前記制御手段は、前記所定気筒以外の他の気筒の燃焼室に加圧空気を供給すべく、該他の気筒の吸気行程中期から圧縮行程中期の間に該他の気筒のポート開閉弁を一時的に開閉制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃エンジン。
【請求項４】
前記制御手段は、所定気筒内で圧縮された空気を、点火時期が該所定気筒に連続する他の気筒の燃焼室に供給すべく、前記所定気筒及び他の気筒の各ポート開閉弁をそれぞれ一時的に開閉制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項５】
エンジンの燃焼室内に導入される排ガス量を可変制御可能な排ガス還流手段と、
前記燃焼室に連通する吸排気ポートとは別個に配設され、前記燃焼室に連通する連通室と、
該連通室と前記燃焼室との連通又は遮断を切り換えるポート開閉弁と、
前記排ガス還流手段による前記燃焼室内への排ガス導入中に、前記エンジンの所定気筒の圧縮行程後半に前記連通室に加圧空気を貯留するとともに前記所定気筒の次回の燃焼サイクルにおける吸気行程中期から圧縮行程中期の間に前記連通室に貯留された加圧空気を該所定気筒の燃焼室に供給すべく、前記ポート開閉弁を開閉制御する制御手段と
を含むことを特徴とする内燃エンジン。
【請求項６】
前記制御手段は、前記エンジンのストイキ運転時に前記ポート開閉弁を開閉制御することを特徴とする請求項１又は５に記載の内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス還流（ＥＧＲ）を行わせる内燃エンジンに係り、特に、ストイキ運転時にＥＧＲを行わせる内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エンジン運転時には、気筒内にＥＧＲによる排ガスを導入させればポンプロスの低減や熱損失の低減などが図られ、熱効率が向上して燃費を改善できることが知られている。
一方、この排ガス還流量（ＥＧＲ量）が増加すると、燃焼が緩慢となり等容度が低下して熱効率が落ち、燃費が悪化してしまう。つまり、ＥＧＲ量は、少量の場合には燃費を良好化できるものの、増加によって逆に悪化するとの問題がある。なお、この等容度とは、燃焼指標の一つであり、燃焼が瞬時に完結しないことによる時間損失の割合である。エンジンでは一般に約０．８〜０．９５の範囲に収まるように設計される。
【０００３】
ここで、上記等容度を低下させないことに着目し、ストイキ運転時のＥＧＲ量の多い場合（高ＥＧＲ率時）には、加圧空気を気筒内にで直接的に噴射させるエンジンが本発明者から提案されている（特願２００３−３６０９４４号）。この加圧空気はエアポンプ等を備えた加圧空気供給装置で生成される。このエンジンによれば、燃焼室内では燃料と空気との乱れ（乱れ作用）が活発になり、等容度が低下しなくなる。
【０００４】
これについては図４を用いて説明する。まず、筒内で加圧空気の直接噴射を行わない場合（従来１）において、低ＥＧＲ率時では燃焼変動が小さく、燃焼期間もそれほど長くならず、等容度も許容範囲内に確保されるので燃費は向上する。しかし、ＥＧＲ量が増加するに連れて燃焼が緩慢となり、燃焼期間が長くなり、等容度が低下することから熱効率も低下し、逆に燃費が悪化してしまう。
【０００５】
一方、本発明者の提案のように筒内で加圧空気の直接噴射を行う場合（従来２）には、低ＥＧＲ率時の他、ＥＧＲ量の多い高ＥＧＲ率時においても、燃焼室内では乱れ作用が活発になって燃焼速度が速められるので、燃焼変動が上記従来１の場合よりも小さくなり、燃焼期間も短くなる。よって、上記従来１の場合よりも等容度が増大することから熱効率が向上し、燃費の良好化が図られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述の従来技術では、加圧空気の生成には加圧空気供給装置が必要とされている。つまり、上記エンジンにはエアポンプ等の構成が別途必要となり、製造コストを安価に抑えることができないとの問題が残されている。
また、上述の加圧空気を用いる場合には、吸入空気量を予め減らしておく必要がある点にも留意しなければならない。換言すれば、ストイキ運転を維持するためには加圧空気供給分だけスロットル弁を閉弁させて気筒内の新気量を最終的に一定に保持する必要があり、これでは、ポンプロスが却って増大し、燃費の改善の妨げになるからである。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲを行う場合、特に、ストイキ運転時にＥＧＲを行う場合において、製造コストを安価に抑え、且つ、燃費の改善を図ることができる内燃エンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃エンジンは、エンジンの各気筒の燃焼室内に導入される排ガス量を可変制御可能な排ガス還流手段と、燃焼室に連通する吸排気ポートとは別個に配設され、各燃焼室にそれぞれ連通する分岐ポートと、各分岐ポートを連通する連通室と、各分岐ポートにそれぞれ配設され、分岐ポートと燃焼室との連通又は遮断を切り換えるポート開閉弁と、排ガス還流手段による燃焼室内への排ガス導入中に、燃焼室に加圧空気を供給すべく、ポート開閉弁を開閉制御する制御手段とを含むことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の発明では、制御手段は、連通室に加圧空気を貯留すべく、所定気筒の圧縮行程後半に当該所定気筒のポート開閉弁を一時的に開閉制御することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、制御手段は、所定気筒以外の他の気筒の燃焼室に加圧空気を供給すべく、他の気筒の吸気行程中期から圧縮行程中期の間に当該他の気筒のポート開閉弁を一時的に開閉制御することを特徴としている。
【００１０】
更にまた、請求項４記載の発明では、制御手段は、所定気筒内で圧縮された空気を、点火時期が所定気筒に連続する他の気筒の燃焼室に供給すべく、当該所定気筒及び他の気筒の各ポート開閉弁をそれぞれ一時的に開閉制御することを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、エンジンの燃焼室内に導入される排ガス量を可変制御可能な排ガス還流手段と、燃焼室に連通する吸排気ポートとは別個に配設され、燃焼室に連通する連通室と、連通室と燃焼室との連通又は遮断を切り換えるポート開閉弁と、排ガス還流手段による燃焼室内への排ガス導入中に、エンジンの所定気筒の圧縮行程後半に連通室に加圧空気を貯留するとともに所定気筒の次回の燃焼サイクルにおける吸気行程中期から圧縮行程中期の間に連通室に貯留された加圧空気を所定気筒の燃焼室に供給すべく、ポート開閉弁を開閉制御する制御手段とを含むことを特徴としている。
【００１１】
更に、請求項６記載の発明では、制御手段は、エンジンのストイキ運転時にポート開閉弁を開閉制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、請求項１記載の本発明の内燃エンジンによれば、制御手段がポート開閉弁を作動制御し、ＥＧＲ実施中に加圧空気を燃焼室に供給させることから、従来の如くの加圧空気供給装置を用いることなく、ＥＧＲ量の多い場合にも燃焼室内では燃料と空気との乱れ（乱れ作用）が活発になる。よって、製造コストを安価に抑えつつ、燃焼速度の上昇による等容度の増加及び熱効率の向上から燃費の改善を図ることができる。
【００１３】
また、上記燃費の改善の他、乱れ作用の活発化によって燃焼室内では燃料の霧化促進を図ることも可能となる。つまり、ピストンやシリンダに付着する燃料が減少し、冷態時では未燃燃料（ＨＣ）が低減され、排ガスの浄化促進をも図ることができる。
また、請求項２記載の発明によれば、燃焼室内に供給された空気は、圧縮行程後半では十分加圧されていることに鑑み、この時点で制御手段が所定気筒のポート開閉弁を一時的に開弁すれば、加圧空気を連通室に確実に取り込むことができる。従って、従来に比して製造コストが安価になるし、例えば、電動のポンプを用いる場合のような電気的なロスの懸念がなく、空気の加圧を効率良く達成できる。
【００１４】
更に、請求項３記載の発明によれば、吸気行程中期では、燃焼室内の圧力（筒内圧）が低いので上記乱れ作用が良好に生じ、また、圧縮行程中期では、燃焼の極めて直前に上記乱れ作用を生じるので上記乱れ作用がより活発化される。よって、この時期に制御手段が他の気筒のポート開閉弁を一時的に開弁すれば、適切な燃費の改善に寄与できる。
更にまた、請求項４記載の発明によれば、加圧空気は点火時期が所定気筒に連続する他の気筒の燃焼室に供給されることから、加圧空気分の新気を増減すべくスロットル弁を制御する必要がなく、スロットル弁制御の簡略化を図ることができる。
【００１５】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１と同様の効果が得られる。
更に、請求項６記載の発明によれば、燃焼室に供給される加圧空気は、ストイキ運転を行うために予め吸入された空気、換言すれば、従来のようなストイキ運転とは別個に供給された空気ではなく、そもそもストイキ運転を行うために吸入されていた空気である。そして、これを利用すれば加圧空気の供給のためにスロットル弁を別途閉じる必要がなく、これに伴うポンプロスの増大も抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
当該実施形態のエンジン１は直列４気筒エンジンである。このエンジン１のシリンダヘッド２には♯１〜♯４の４つの気筒１１〜１４が形成されており、気筒１１〜１４毎に吸気ポート４が形成されている。また、この各吸気ポート４の燃焼室３側には各吸気ポート４と燃焼室３との連通及び遮断を行う吸気弁８がそれぞれ設けられている。
【００１７】
各吸気ポート４には吸気通路１０の一端がそれぞれ接続されている。この吸気通路１０には各気筒１１〜１４に燃料噴射を行う電磁式のインジェクタ（図示せず）が気筒毎にそれぞれ取り付けられており、このインジェクタはピストン５の排気行程で燃焼室３に向けて燃料を噴射する。
吸気通路１０には吸気管１６の一端が接続されている。吸気管１６には吸入空気量を調節するモータ駆動式のスロットル弁１８の他、スロットル開度を検出するセンサ、吸入空気量を検出するセンサ（いずれも図示せず）が設けられている。そして、新気は各吸気ポート４を介して♯１気筒１１、＃２気筒１２、＃３気筒１３及び♯４気筒１４に吸入されている。
【００１８】
シリンダヘッド２には気筒１１〜１４毎に点火プラグ７が取り付けられており、吸気管１６からの新気とインジェクタからの燃料とからなる混合気に対して燃焼室３内で火花点火が行われる。なお、本実施形態の点火順序は、♯１気筒１１、＃３気筒１３、♯４気筒１４、＃２気筒１２の順である。
また、シリンダヘッド２には４つの気筒１１〜１４毎に排気ポート６が形成されている。そして、各排気ポート６の燃焼室３側には各排気ポート６と燃焼室３との連通及び遮断を行う排気弁９がそれぞれ設けられている。この排気弁９の開閉時期は排気弁タイミング可変装置（排ガス還流手段）５０による油圧調整によって連続的に可変にされている。この排気弁タイミング可変装置５０には例えばベーン式可変バルブタイミング機構が適用される。なお、該ベーン式可変バルブタイミング機構は公知であり、ここではその構成の詳細については説明を省略する。
【００１９】
各排気ポート６には排気通路４０の一端がそれぞれ接続されている。また、排気通路４０には排気浄化を行う三元触媒や排気中の排気空燃比を検出するＯ2センサ（いずれも図示せず）が設けられている。
ここで、上記各気筒１１、１２、１３、１４には、燃焼室３に連通する分岐管（分岐ポート）３１、３２、３３、３４が吸気ポート４や排気ポート６とは別個に配設されている。また、各分岐管３１、３２、３３、３４には、この各分岐管を任意の時期に開閉可能な電磁式のエア弁（ポート開閉弁）２１、２２、２３、２４がそれぞれ装着されている。更に、各分岐管３１、３２、３３、３４には、これらを連通するデリバリパイプ（連通室）２０が接続されている。
【００２０】
具体的には、＃１気筒１１の断面図（図２）に示されるように、分岐管３１は、シリンダヘッド２の吸気ポート４の開口近傍位置において燃焼室３に向けて開口され、燃焼室３から離れる方向に延設されている。そして、デリバリパイプ２０は分岐管３１に略直交する方向にて他の分岐管３２、３３、３４に向けて設けられている。
一方、エア弁２１は分岐管３１に対してシリンダヘッド２の外側から燃焼室３に向けて装着されている。そして、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）６０からの信号に基づいてエア弁２１の弁体４１が分岐管３１を開閉することにより、気筒１１の燃焼室３内の圧縮された空気を取り出してデリバリパイプ２０に貯留したり、また、このデリバリパイプ２０を介して、気筒１２からの加圧された空気を気筒１１の燃焼室３内へ供給することが行われる。なお、気筒１２、１３、１４の構成についても上記気筒１１の構成と同様である。
【００２１】
ＥＣＵ６０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を備えており、当該ＥＣＵ６０によってエンジン１の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ６０の入力側には上記各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上記インジェクタやスロットル弁１８等の他、排気弁タイミング可変装置５０等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された各信号がそれぞれ出力される。
【００２２】
特に、本実施形態のエンジン１では、エア弁制御部（制御手段）６１がＥＣＵ６０に備えられており、このエア弁制御部（制御手段）６１は、例えば＃１気筒（一の気筒）１１内の圧縮された空気を、点火時期が連続する＃３気筒（他の気筒）１３内に加圧空気として供給させるべく、エンジン運転状態に応じてエア弁２１を作動制御する。
このように、エア弁制御部６１によるエア弁２１の作動制御によって、＃１気筒１１の圧縮された空気を加圧空気として＃３気筒１３に供給すれば、加圧空気分の新気を増減すべくスロットル弁１８を制御する必要がなく、スロットル弁制御の簡略化を図ることができるとともに、燃焼室３内で空気と燃料との乱れ作用を生じさせ、ＥＧＲ量が増加しても燃費の改善を図ることができる。
【００２３】
このエア弁制御部６１の加圧空気の供給による燃費改善制御については図３を用いて説明する。
当該制御では、排気弁タイミング可変装置５０を用いてストイキ運転時に高ＥＧＲ率で内部ＥＧＲ制御を実施中に、各エア弁の開弁時期が圧縮行程に設定される。例えば、エア弁２１は＃１気筒１１の圧縮行程後半のタイミングＴで一時的に開弁される。このタイミングＴにおける＃１気筒１１内の空気は、燃焼前の未だ混合気の状態にあり、しかも、ピストン５の上昇に伴って既に圧縮されている。よって、このタイミングＴでエア弁２１を開弁させれば、＃１気筒１１内の圧縮された空気がデリバリパイプ２０内に確実に取り込まれて貯留されることになる。
【００２４】
次いで、エア弁２３が＃３気筒１３の圧縮行程前半のタイミングＦで一時的に開弁される。このタイミングＦでエア弁２３を開弁させれば、デリバリパイプ２０内の加圧空気が＃３気筒１３の燃焼室３に勢い良く噴射され、＃３気筒１３の燃焼室３では強い乱れが生成されることになる。
なお、ここでは、圧縮行程にある気筒１１と該気筒１１の点火時期に連続する気筒１３との組み合わせについて説明したが、圧縮行程の気筒とこれに連続する圧縮行程の気筒との組み合わせであれば、図３にてタイミングＴからタイミングＦへの矢印で示されるように、圧縮行程にある気筒１３と気筒１４、同じく気筒１４と気筒１２や気筒１２と気筒１１についても同様に制御できる。これらエア弁の開閉はシーケンシャルに繰り返される。
【００２５】
したがって、本実施形態のエア弁制御部６１では、燃焼室３内に供給された空気が圧縮行程後半では十分加圧された状態にあることに着目し、エア弁制御部６１が上記圧縮行程後半（タイミングＴ）でエア弁を一時的に開弁すれば、加圧空気をデリバリパイプ２０に確実に取り込むことができる。よって、エアポンプを用いることなく加圧空気の生成が可能となり、製造コストが安価に抑えられる。しかも、電動のポンプを用いる場合の如くの電気的なロスがなく、空気の加圧を効率良く行える。
【００２６】
そして、燃焼が悪化する高ＥＧＲ率時に、この加圧空気を燃焼室に供給すれば、燃焼室３内では燃料と空気との乱れ（乱れ作用）が活発になる。従って、燃焼速度が上昇し、等容度の増加によって熱効率も向上し、ＥＧＲ量が増加しても燃費の改善が図られる。
更に、この加圧空気は、ストイキ運転と別個に供給された空気ではなく、そもそもストイキ運転を行うためにスロットル弁１８を介して吸入されていた空気を再利用したものに相当するので、加圧空気の供給のためにスロットル弁１８を改めて閉じる必要がなく、これに伴うポンプロスの増大が抑えられる。
【００２７】
更にまた、エア弁制御部６１が上記圧縮行程前半（タイミングＦ）でエア弁を開弁すれば、エアポンプを用いることなく加圧空気の供給が可能となるし、燃焼の直前に上記乱れ作用が生じ、燃費のより一層の改善が図られる。
また、加圧空気の供給は燃焼室３内での燃料の霧化促進を図ることができる。つまり、吸気行程中に加圧空気を供給することによって霧化が促進され、燃料がピストン５などに付着し難くなり、例えば冷態時では未燃燃料（ＨＣ）の低減が達成可能となる。
【００２８】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では加圧空気を噴射させるべく、エア弁制御部６１が圧縮行程前半（タイミングＦ）でエア弁を開弁しているが、このタイミングＦは、この圧縮行程前半の他、吸気行程中期から圧縮行程中期に亘って設定するか、或いは、吸気行程後半だけに設定しても良い。筒内圧の低い吸気行程中期では上記乱れ作用が良好に生じ、燃焼の直前の圧縮行程中期では上記乱れ作用がより活発化され、適切な燃費の改善に寄与するからである。また、吸気行程後半に設定する場合、上述の気筒１１と気筒１３との関係でいえば、エア弁２１の開弁と同時にエア弁２３を開弁することによっても加圧空気を供給可能である。この場合には、気筒１１内で加圧された空気がデリバリパイプ２０に貯留されず、気筒１１内で圧縮された空気がデリバリパイプ２０を介して気筒１３に直ちに供給できるからである。
【００２９】
また、上記実施形態では４気筒の例が示されているが、本発明は２気筒の場合にも適用可能であり、更に、上記一実施形態に示す弁体４１を弁座側に付勢するバルブに換えて、開弁時に燃焼室内に突出するポペット弁タイプのインジェクタであっても良い。
更に、上記実施形態では排気弁タイミング可変装置を用いた内部ＥＧＲによって排ガスの一部を燃焼室に導入しているが、この実施形態の他、例えば、気筒の外部にＥＧＲ配管及びＥＧＲバルブを設け、このバルブの開閉によりサージタンクに排気の一部を還流させる外部ＥＧＲであっても良い。
【００３０】
また、上記実施形態では吸気ポートを介した燃料噴射が実施可能なマルチポイントインジェクションエンジン（ＭＰＩ型エンジン）への適用を示しているが、筒内噴射型エンジンに適用しても良い。
更に、上記実施形態ではストイキ運転時に適用する例が示されているが、空燃比がストイキ運転よりもリーン側、又はリッチ側の略ストイキ運転時に適用しても良い。この場合にも、上記実施形態のストイキ運転時と同様の効果が得られる。また、この略ストイキ運転よりも更にリーン側のリーン運転時に適用しても良い。
【００３１】
以下に、上記実施形態の変形例について説明する。
上記実施形態では、各燃焼室に連通する分岐管及びこれら分岐管を連通する共通のデリバリパイプを設けた例が示されている。
一方、変形例では、各気筒に個別に連通する複数のデリバリパイプ（連通室）、及び各気筒の燃焼室とデリバリパイプとの連通及び遮断を行うエア弁を設ける。そして、この各気筒毎に独立のデリバリパイプを設けた変形例の場合には、エア弁制御部によってエア弁が次のように制御される。すなわち、所定気筒で圧縮された加圧空気をデリバリパイプに貯留すべく該所定気筒の圧縮行程後半にエア弁を一時的に開閉するとともに、該所定気筒の次回の燃焼サイクルにおける吸気行程中期から圧縮行程中期の間に、該デリバリパイプに貯留された加圧空気を該所定気筒の燃焼室内に供給すべく、エア弁を一時的に開閉する。これにより、共通のデリバリパイプを設けた上記実施形態の場合と同一の効果が得られる。
【００３２】
また、この変形例の場合、つまり、同一の気筒で圧縮された加圧空気をデリバリパイプに貯留し、次回の燃焼サイクルにおいて該デリバリパイプに貯留された加圧空気を燃焼室内に供給する場合には、多気筒に限定されずに、単気筒エンジンにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃エンジンの概略構成図である。
【図２】図１のエンジンの部分断面図である。
【図３】図１のエンジンによる燃費改善制御の説明図である。
【図４】従来のエンジンによる燃費改善の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  内燃エンジン
３  燃焼室
４  吸気ポート
６  排気ポート
１１，１２，１３，１４  気筒
２０  デリバリパイプ（連通室）
２１，２２，２３，２４  エア弁（ポート開閉弁）
３１，３２，３３，３４  分岐管（分岐ポート）
５０  排気弁タイミング可変装置（排ガス還流手段）
６０  電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
６１  エア弁制御部（制御手段）
【図１】
2005207244.tif 000003
【図２】
2005207244.tif 000004
【図３】
2005207244.tif 000005
【図４】
2005207244.tif 000006