(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉弁時に吸気流を偏向させてシリンダ内に吸気旋回流を形成する切欠部を備えたスワール制御弁を機関吸気通路の途中に介装するとともに、機関排気の一部を吸気通路に導入する排気環流装置を備えた内燃機関において、
前記排気環流装置からの環流排気の導入部を、スワール制御弁よりも下流側に設け、
前記スワール制御弁の閉弁時に前記切欠部を通過して機関に吸入された新気と、前記導入部から機関に吸入された還流排気とが流入して成層状態をなして燃焼室の略中央に多く分布する還流排気に対して濃混合気層を形成する吸気成層化手段として、機関燃焼室に臨む燃料噴射弁を介して燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式燃料噴射装置を備える、
ことを特徴とする成層燃焼機関の排気環流装置。
【請求項２】
吸気通路は途中から分岐して燃焼室に開口する複数の吸気ポートを有し、
かつスワール制御弁は前記分岐部よりも上流側に位置して、閉弁時に一部の吸気ポートの方向に吸気を偏向させるように前記切欠部が構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の成層燃焼機関の排気環流装置。
【請求項３】
環流排気の導入部は、スワール制御弁の切欠部に対して吸気通路中心を基準として反対側に位置している、
ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の成層燃焼機関の排気環流装置。
【請求項４】
環流排気の導入部は、吸気通路内の吸気の旋回方向に対して略同一方向に流入するように該旋回流の接線方向に形成されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の成層燃焼機関の排気環流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室の略中央部に濃混合気層を形成して成層燃焼を行わせるようにした内燃機関の排気環流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
内燃機関の燃焼ガス中に生じるＮＯｘを低減する目的で排気の一部を吸気中に環流して燃焼温度を低下させる排気環流装置（一般にＥＧＲ装置とも呼ばれる）は有効な排気浄化手段として広く用いられている。（排気環流装置の公知文献としては例えば特開平２−２８３８４３号公報参照。）
一方、近年の燃費向上の要請に応える技術として吸気スワール流と成層化燃焼とを組み合わせて燃焼の最適化を図るものが知られている。これは例えば吸気通路内に設けたスワール制御弁により吸気流に偏りをもたせることによりシリンダ内にスワール流を生起して吸気流動を活発化するとともに、シリンダ内への燃料の直接噴射等の成層化手段により燃焼室中央部に着火しやすい濃混合気層を形成して超希薄燃焼を可能とするものである。
【０００３】
ところで、一般にＥＧＲ装置では環流した排気が複数のシリンダに均等に分配されるように吸気マニホールドの上流部分に排気を導入する構成となっているが、このようなＥＧＲ装置をそのまま成層燃焼機関に適用すると次のような問題を生じる。
【０００４】
すなわち、環流排気が新気と均等に混合した状態でシリンダに流入すると、濃混合気を形成する部分のみならず燃焼の遅い希薄空燃比部分にも相対的に多量の排気が混入する結果となり、これにより希薄空燃比部分での燃焼がさらに遅くなって全体として燃焼が悪化してしまう。
【０００５】
このことは、ＥＧＲの限界が低く、それだけＮＯｘの低減効果も少ないことを意味する。仮に大量の排気を環流させたうえでＮＯｘを十分に低減しようとすると希薄空燃比層の空燃比を小さくして燃焼性を確保しなければならないため燃費が悪化することになる。
【０００６】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、環流排気をも成層化して混合気濃度の高い部分に排気を分布させることにより排気浄化と燃費向上を両立させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、閉弁時に吸気流を偏向させてシリンダ内に吸気旋回流を形成する切欠部を備えたスワール制御弁を機関吸気通路の途中に介装するとともに、機関排気の一部を吸気通路に導入する排気環流装置を備えた内燃機関において、前記排気環流装置からの環流排気の導入部を、スワール制御弁よりも下流側に設け、前記スワール制御弁の閉弁時に前記切欠部を通過して機関に吸入された新気と、前記導入部から機関に吸入された還流排気とが流入して成層状態をなして燃焼室の略中央に多く分布する還流排気に対して濃混合気層を形成する吸気成層化手段として、機関燃焼室に臨む燃料噴射弁を介して燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式燃料噴射装置を備えるものとする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明の吸気通路を、途中から分岐して燃焼室に開口する複数の吸気ポートを有するものとし、かつスワール制御弁は前記分岐部よりも上流側に位置して、閉弁時に一部の吸気ポートの方向に吸気を偏向させるように前記切欠部を構成する。
【００１１】
請求項３の発明は、上記請求項１または２の発明の環流排気の導入部を、スワール制御弁の切欠部に対して吸気通路中心を基準として反対側に位置させたものとする。
【００１２】
請求項４の発明は、上記請求項１から請求項３の発明において、環流排気の導入部を、吸気通路内の吸気の旋回方向に対して略同一方向に流入するように該旋回流の接線方向に形成したものとする。
【００１４】
【作用・効果】
上記各発明によれば、スワール制御弁よりも下流で各気筒毎に排気が環流されるので新気と環流排気とが混ざり合いにくく、排気と新気とはある程度分離した状態でシリンダ内に流入する。
【００１５】
シリンダ内ではスワール流により混合気が旋回し、このとき比較的高温で密度の低い環流排気は旋回流による遠心力の作用を受けにくいので燃焼室の中央部分に多く分布することになる。
【００１６】
燃焼室の中央部分には直接噴射式燃料噴射装置からなる成層化手段により濃混合気層が形成されているので、環流排気は主としてこの濃混合気層と混合し、周囲の希薄空燃比の混合気層におけるＥＧＲ率は小さくなる。
【００１７】
すなわち、濃混合気部に多量の環流排気が分布することになり燃焼の安定した領域で燃焼するのでＥＧＲ限界が向上してＮＯｘを十分低減することが可能となる一方、希薄空燃比部分での燃焼が悪化することはないので良好な燃費性能を確保することができる。
【００１８】
濃混合気部では環流排気により燃料粒子が加熱されて微粒化が促されるので大量ＥＧＲであっても良好な燃焼性が得られ、この作用も燃費向上に寄与する。
【００１９】
一方、スワール制御弁の下流側に排気を環流させるので、仮に排気中に不純物が存在したとしてもこれがデポジットとして堆積してスワール制御弁を固着させるような不具合を起こすおそれがない。
【００２０】
スワール制御弁としては、閉弁時に吸気流を偏向させる切欠部を備えた構成のものとすることができ、これは特にシリンダ毎に単一の吸気ポートを備えた内燃機関において吸気スワールを生起するのに有効である。
【００２１】
吸気通路を途中から複数のポートに分岐した構成とした場合には、請求項２の発明のように、スワール制御弁は前記分岐部よりも上流側に位置して、閉弁時に一部吸気のポートの方向に吸気を偏向させるように切欠部を構成することができ、より効果的にシリンダ内吸気スワールを生起して環流排気の成層化を促すことができる。
【００２２】
請求項３の発明のように、上記請求項１または２の発明の環流排気の導入部を、スワール制御弁の切欠部に対して吸気通路中心を基準として反対側に位置させたものとした場合には、切欠部を通過した吸気の流れと環流排気とが直接衝突しないのでお互いに混ざり合いにくく、すなわち環流排気の成層化に有利である。また、内燃機関では吸気通路の構造等により吸気が通路内で旋回しながら流れる傾向を有するものがあり、この場合には請求項４の発明のように、環流排気の導入部を、吸気通路内の吸気の旋回方向に対して略同一方向に流入するように接線方向に形成することにより、吸気と環流排気とを成層状態で合流させることができるので、シリンダ内での環流排気の成層化に有利である。
【００２３】
本発明では、機関燃焼室に臨む燃料噴射弁を介して燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式燃料噴射装置を用いることにより、前述したようにスワールの影響が少なく還流排気の濃度が高くなる燃焼室中央部に確実に濃混合気層を形成することができ、したがって効果的に排気浄化および燃費改善の効果を享受することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態につき図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す成層燃焼機関の概略図である。図中１は内燃機関のシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストン、４は吸気コレクタ、５は吸気管、８は排気管である。７は吸気管の途中に介装されたスワール制御弁、６は図示しない制御回路からの指令に基づいてスワール制御弁７を開閉駆動するアクチュエータである。９と１０はそれぞれ排気環流装置を構成するＥＧＲ配管（排気環流通路）とＥＧＲバルブであり、ＥＧＲバルブ１０は後述するスワール制御弁７が閉弁される運転域で所定の開度となるように開弁して排気管８からの排気の一部を吸気通路５に導入する。１１は吸気バルブ、１２は排気バルブ、１３はスパークプラグである。
【００２６】
図２において、９ＡはＥＧＲ配管９からの環流排気を吸気管５に導入する導入部を示しており、スワール制御弁７よりも下流側の、この場合第一吸気ポート５Ａに臨む位置に設けられている。
【００２７】
吸気管５は図２に示したように、それぞれ燃焼室１Ａに開口する第一吸気ポート５Ａと第二吸気ポート５Ｂとに分岐している。スワール制御弁７は前記分岐部よりもやや上流側に位置しており、その第二吸気ポート５Ｂ側の部分には上下に切欠部７Ａが形成されている。
【００２８】
スワール制御弁７は、機関の負荷または回転数が高い運転域では吸入抵抗を低減するとともに着火不良や騒音の原因となる過度の吸気流動が生じないように全開にされる一方、負荷または回転数が比較的低い常用域では図２のように全閉してスワールを発生させるようにアクチュエータ６を介して制御される。
【００２９】
スワール制御弁７が全開した状態では吸気は各吸気ポート５Ａ，５Ｂの双方からほぼ均等にシリンダ内へと流入するのに対して、全閉した図示状態では吸気は切欠部７Ａを介して第二吸気ポート５Ｂの方向に偏って導かれるため、吸気流のうち方向性を持った成分は主として第二吸気ポート５Ｂを介してシリンダ内に流入することになる。これによりシリンダ内には矢印で示したようにスワールＳＷが生起される。
【００３０】
この内燃機関は、スパークプラグ１３が位置する燃焼室１Ａの略中央部に着火及び燃焼性のよいリッチ部ＡＲを、その周囲に空燃比の大きいリーン部ＡＬを、それぞれ混合気層として成層状に分布させる成層燃焼機関であり、図示しないがこのような混合気を成層化する手段として、燃焼室に臨むように設けた燃料噴射弁を介して吸入行程ないし圧縮行程内にシリンダ中央部に燃料を直接噴射供給するようにした直接噴射式燃料噴射装置を備えている。
【００３１】
このような成層燃焼機関において新気と環流排気とが混合した状態でシリンダ内に吸入されると、既述したようにリーン部にもリッチ部と同等に排気環流が行われるので、燃焼の遅い部分にさらにＥＧＲで燃焼を悪化させることになり、このため図３に示したように安定燃焼が可能なＥＧＲ限界は低くなる。
【００３２】
これに対して、上記本発明の実施形態の構成によれば、スワール制御弁７下流側のシリンダに近い部分に設けた導入部９Ａを介して環流排気が導入されるので、シリンダに流入するまでの間に新気と環流排気とが混ざり合いにくい。特にこの実施形態ではスワール制御弁の切欠部７Ａとは反対側の新気の流速が遅い第一吸気ポート５Ａの側に導入部９Ａを臨ませているので、新気と排気との混合はより一層起こりにくい。
【００３３】
このようにして新気と環流排気とを成層状態でシリンダ内に流入させると、このとき生じているスワールＳＷの旋回流の作用により、高温で密度の低い排気は圧縮行程の間にリッチ部ＡＲが形成される燃焼室中央部に集中的に分布する。リッチ部ＡＲはもともと燃焼が速いので不活性ガスである環流排気の存在にかかわらず燃焼は良いが、さらに集中分布する環流排気の熱により燃料粒子の微粒化が促されることから、不完全燃焼の発生が起こりにくく、より良好な燃焼結果が得られる。一方、リーン部ＡＬには環流排気が混入しにくいので、２０ないし４０に達する超希薄空燃比であっても燃焼が可能である。このため、図３に示したように従来のものよりも安定燃焼するＥＧＲ限界が高められるとともに良好な燃費性能を確保することができる。
【００３４】
また、スワール制御弁７の下流側に排気を環流する構成であるところから、排気中の不純物が吸気管壁及びスワール制御弁７の機構部分等に付着して作動不良等の不具合を起こすおそれもなくなる。
【００３５】
図４に本発明の第２の実施形態を示す。図２は複数の吸気ポート５Ａ，５Ｂを有する機関に適用した例であるが、これに限らず本発明は単一の吸気ポートを有する機関に適用しても有効である。すなわち、図４に示したように切欠部７Ａを有するスワール制御弁７の下流側に環流排気の導入部９Ａを設けるにあたり、該導入部９Ａを吸気通路中心を基準として前記切欠部７Ａとは反対側の位置に開口するように設けるのである。
【００３６】
このようにして吸入空気流速が低いスワール制御弁切欠部７Ａと反対側に排気を導入することで新気との混合が抑制されるので、環流排気と新気とを成層状態でシリンダ内に流入させてシリンダ内での環流排気の分布を図１のものと同様に改善することができる。
【００３７】
なお、この場合、図５に示したように吸気管５内の吸気の旋回方向を考慮して、該旋回方向に沿って環流排気が合流するように導入部９Ａを接線方向に向けて形成することにより、新気と環流排気との成層状態をよりよく維持してさらに良好な結果を期待することができる。
【００３８】
図６に本発明の第３の実施形態を示す。これは図２と同様に第一、第二の吸気ポート５Ａ，５Ｂを有する機関において、第二ポート５Ｂの途中に該ポート５Ｂを開閉するスワール制御弁７を設け、その下流に導入部９Ａを設けてある。このようにすることで、新気はもっぱら第一ポート５Ａを介して流入する一方、第二ポート５Ｂについてはほぼ完全に吸気の流れを遮断したところへ環流排気を導入でき、したがって燃焼室１Ａに入るまでの間に新気と排気とが混合することがほとんどなく、効率のよい理想的な成層化ＥＧＲが実現できる。
【００３９】
図７はこのときの各吸気ポート内の圧力変化を示したもので、第一吸気ポート５Ａでは、吸気バルブ１１が開くタイミングで吸気管負圧が最大となり吸入作用がなされるが、吸気バルブ１１が閉じたのちも他のシリンダとは吸気管５を介して連通状態にあるので当該他のシリンダの吸気管負圧の影響により負圧が作用し続ける。これに対して、第二吸気ポート５Ｂでは、吸気がスワール制御弁７によりほぼ遮断されるので、環流排気と新気とがほぼ完全に分離された態様で燃焼室に流入し、すなわち環流排気の理想的な成層化を達成できる。また、他のシリンダの影響を受けにくく、つまりそのシリンダの吸気バルブ１１が開くときに重点的に環流排気を導入できるので、必要に応じて大量の排気環流が可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す内燃機関の概略構成図。
【図２】第１の実施の形態の要部平面図。
【図３】本発明によるＥＧＲ限界と燃焼安定度の関係を従来技術との比較において示した特性線図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の要部平面図。
【図５】図５のＥＧＲ導入部の吸気管の断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の要部平面図。
【図７】第４の実施の形態の作用を説明するための吸気管負圧特性線図。
【符号の説明】
１    シリンダヘッド
２    シリンダブロック
３    ピストン
４    吸気コレクタ
５    吸気管（吸気通路）
５Ａ  第一吸気ポート
５Ｂ  第二吸気ポート
６    アクチュエータ
７    スワール制御弁
７Ａ  切欠部
８    排気管
９    ＥＧＲ配管（排気環流通路）
９Ａ  環流排気の導入部
１０    ＥＧＲバルブ
１１    吸気バルブ
１２    排気バルブ
１３    スパークプラグ
ＡＲ    濃混合気部（リッチ部）
ＡＬ    希薄混合気部（リーン部）
ＳＷ    シリンダ内スワール
【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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