JP2010048137A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ装置を備えると共に複数の気筒を備える内燃機関において、燃料の燃焼速度における気筒間バラツキを低減する。
【解決手段】本発明に係る内燃機関１０は、内燃機関１０の吸気系に臨むＥＧＲ装置４０のＥＧＲガス供給口５８は、気筒１４ごとに設けられ、かつ、ＥＧＲガスが気筒１４ごとに定められた気筒１４内の所定領域に偏って導入されるように位置付けられていることを特徴とする。好ましくは、ＥＧＲガス供給口５８は、各気筒１４においてＥＧＲガスが各気筒１４内の外側寄り領域ＡＯに偏って導入されるように位置付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、２つ以上、複数の気筒を有する内燃機関であって、該機関の吸気系にＥＧＲガスを供給可能にする内燃機関に関する。

特許文献１は、ディーゼル機関といった予混合圧縮着火燃焼内燃機関において、より広い運転領域でより好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことを可能にする技術を提案している。この技術では、内燃機関の運転状態に応じて、気筒内中央部に吸気を導入する第１吸気ポートと同気筒内壁面付近に吸気を導入する第２吸気ポートとに導入されるＥＧＲガスの量をそれぞれ制御する。これにより、その技術は、気筒内に導入される吸気におけるＥＧＲガス量の割合（ＥＧＲ率）の分布を制御する。具体的には、機関運転状態が低負荷運転領域にある場合、第１吸気ポートに導入されるＥＧＲガスの量よりも第２吸気ポートに導入されるＥＧＲガスの量を多くする。こうすることで、そのような機関運転状態のときに気筒内壁面付近の温度が比較的低温になるところ、気筒内壁面付近のＥＧＲ率を高くして、予混合気の温度を上昇させることを可能にする。他方、機関運転状態が高負荷運転領域にある場合、第１吸気ポートに導入されるＥＧＲガスの量よりも第２吸気ポートに導入されるＥＧＲガスの量を少なくする。こうすることで、そのような機関運転状態のときに気筒内中央部の温度が高くなり過早着火が発生し易くなるところ、気筒内中央部での予混合気の着火性を抑制することを可能にする。

特開２００４−３４６７９６号公報

ところで、複数気筒を備える内燃機関、すなわち多気筒機関においては、複数の気筒の配置や配列によって燃焼室周りに固有の温度分布が生じる。この結果、複数気筒間において同じ条件で混合気の燃焼を行うと、気筒間で燃料すなわち混合気の燃焼速度が異なるようになる。したがって、各気筒で発生する出力が異なるようになり得る。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、燃料の燃焼速度における気筒間バラツキを低減することにある。

本発明に係る内燃機関は、ＥＧＲ装置を備えると共に複数の気筒を備える内燃機関において、該内燃機関の吸気系に臨む前記ＥＧＲ装置のＥＧＲガス供給口は、気筒ごとに設けられ、かつ、ＥＧＲガスが気筒ごとに定められた気筒内の所定領域に偏って導入されるように位置付けられていることを特徴とする。

かかる構成によれば、内燃機関の吸気系に臨むＥＧＲ装置のＥＧＲガス供給口は、気筒ごとに設けられ、かつ、ＥＧＲガスが気筒ごとに定められた気筒内の所定領域に偏って導入されるように位置付けられている。したがって、ＥＧＲガスは、各気筒において、ＥＧＲガス供給口を介して、気筒ごとに定められた気筒内の所定領域に偏って導入される。そして、好適には、所定領域は、気筒間での温度分布を均一化するように定められる。したがって、このように各気筒に導入されたＥＧＲガスは、気筒間での温度分布を均一化するように作用する。それ故、燃料の燃焼速度における気筒間バラツキを低減することが可能になる。

具体的には、上記ＥＧＲガス供給口は、各気筒においてＥＧＲガスが各気筒内の外側寄り領域に偏って導入されるように位置付けられているとよい。その外側寄り領域を定める気筒の部分は、気筒の内の内側寄り領域を定める気筒の部分に比べて、概して他の気筒からの熱的影響を受け難い。したがって、ＥＧＲガスをその外側寄り領域に偏って導入させることで気筒の内の外側寄り部分の温度を程よく保つことが可能になる。また、ＥＧＲガスをその外側寄り領域に偏って導入させることで気筒の内の内側寄り領域には新たに吸入された空気、すなわち新気を主とするガスを導入することができる。これにより、気筒の内の内側寄り領域を定める部分の効果的な冷却をもたらすことが可能になる。

好ましくは、各気筒に対して２つの点火プラグが設けられ、該２つの点火プラグのうちの１つは、ＥＧＲガス濃度が高い混合気へ点火するべく設けられているとよい。こうすることで、各気筒における火炎伝播速度を適切に速めることが可能になる。

本発明に係る好適な実施形態について、以下に図面に従って説明する。

まず、第１実施形態について説明する。図１において、内燃機関１０は、例えば燃焼室１２内に直接ガソリン燃料を噴射する筒内直噴式ガソリン機関である。内燃機関１０は４つの気筒（シリンダ）１４を有するが、２つ、６つ、８つなどの複数の気筒１４を有してもよい。内燃機関１０は気筒１４を備えるシリンダブロック（ウォータージャケット等の図示を省略）１６およびシリンダヘッド１８を有し、気筒１４内にはピストン２０が上下動可能に配置されている。シリンダヘッド１８下面とピストン２０頂面との間に挟まれるように気筒１４内に実質的に形成される燃焼室１２には、吸気ポート２２を介して吸気通路２４が連通すると共に排気ポート２６を介して排気通路２８が連通する。吸気通路２４の下流側端部は吸気弁３０によって開閉され、排気通路２８の上流側端部は排気弁３２によって開閉される。そして、燃焼室１２には、直接的に燃料を噴射可能なように燃料噴射弁３３が臨んで設けられている。燃焼室１２頂部に、２つの点火プラグ３４、３６が位置付けられている。なお、図１では、概ね気筒軸線上に設けられた１つの点火プラグ３４のみが示されている。すなわち、もう１つの点火プラグ３６は、気筒軸線上から明らかに所定方向にずれた位置に配置されている。

さらに、内燃機関１０は、排気通路２８を流れる排気ガスの一部を、吸気系に含まれる吸気通路２４に導くために、排気ガス還流（ＥＧＲ）装置４０を備えている。ＥＧＲ装置４０は、図１では省略されているが、排気通路２８と吸気通路２４とをつなぐＥＧＲ通路４２を区画形成するＥＧＲ管と、ＥＧＲ通路４２の連通状態調節用のＥＧＲ弁とを有している。ただし、還流される排気ガス（ＥＧＲガス）冷却用のＥＧＲクーラがさらにＥＧＲ装置４０に含まれてもよく、ＥＧＲクーラが含まれる場合にはＥＧＲ弁はＥＧＲクーラ下流側に設けられるとよい。

なお、上述の燃料噴射弁３３、点火プラグ３４、３６、ＥＧＲ弁駆動用のアクチュエータ（不図示）等は、内燃機関１０の制御装置として機能するＥＣＵ（不図示）に電気的に接続されている。ＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器、ならびに記憶装置等を含むものである。ＥＣＵには、何れも図示されないクランク角センサ、エアフローメータ、アクセル開度センサ等の各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵは、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサを用いて得られた検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、燃料噴射弁３３、点火プラグ３４、３６、ＥＧＲ弁駆動用のアクチュエータ等を制御する。

図２に模式的に示されるように、内燃機関１０のシリンダヘッド１８には、吸気通路２４の一部を区画形成する吸気マニホールド４６が接続されると共に、排気通路２８の一部を区画形成する排気マニホールドが接続される。吸気マニホールド４６の各吸気枝管４８は、それぞれ隔壁５０によって分割されていて、シリンダヘッド１８に形成された１つの気筒の吸気ポート２２（２２ａ、２２ｂ）につながる、２つの独立した吸気ポート５２、５４を有する。なお、本第１実施形態の内燃機関１０は、車載されるときにいわゆる縦置きされる内燃機関である。そして、車載状態でその車両のフロント側に位置する気筒１４から順に、＃１、＃２、＃３、＃４の符号を付している。

第１の吸気ポート５２にはＥＧＲ通路４２の下流側端部であるＥＧＲガス供給口（以下、ＥＧＲ口）５８が連通されているが、第２吸気ポート５４にはＥＧＲガスが供給可能にされていない。なお、ここでは、気筒１４ごとに設けられたＥＧＲ口５８は、ＥＧＲ枝管部６０を介して、共通のＥＧＲ分配管部６２に連通している。そして、ＥＧＲ分配管部６２上流側に図示しないＥＧＲ弁が設けられている。しかし、ＥＧＲ分配管部６２、ＥＧＲ枝管部６０、ＥＧＲ口５８に共通にまたは個別にＥＧＲ弁が設けられてもよい。

フロント側の２つの気筒、すなわち＃１、＃２の気筒１４に関しては、第１の吸気ポート５２が対になる第２吸気ポート５４よりもフロント側に位置付けられている。それ故、＃１、＃２の気筒１４の各々の燃焼室１２には、フロント側領域に偏って、ＥＧＲガスが導入される。

図３に示すように、＃１、＃２の気筒１４における吸気行程では、ＥＧＲガスを含む吸気ＥＩは、第１の吸気ポート５２を経て、気筒１４内のフロント側の領域ＡＦに偏って導入される。これに対して、同吸気行程では、ＥＧＲガスを含まない吸気ＣＩは、第２の吸気ポート５４を経て、気筒１４内のリア側の領域ＡＲに偏って導入される。気筒配列を考慮すると、フロント側の領域ＡＦは、＃１、＃２の気筒１４内の内燃機関１０の気筒配列方向外側寄りに位置する領域（外側寄り領域）ＡＯであり、リア側の領域ＡＲは、＃１、＃２の気筒１４内の内燃機関１０の気筒配列方向内側寄りに位置する領域（内側寄り領域）ＡＩである。

これに対して、リア側の２つの気筒、すなわち＃３、＃４の気筒１４に関しては、第１の吸気ポート５２が第２の吸気ポート５４に対してリア側に位置付けられている。それ故、＃３、＃４の気筒１４の各々の燃焼室１２には、リア側の領域に偏って、ＥＧＲガスが導入される。その結果、ここでは、＃１、＃２の気筒１４とは逆に、＃３、＃４の気筒１４の各々では、リア側にＥＧＲガス濃度の高い吸気ＥＩが吸入される。そして、＃３、＃４の気筒１４に関しては、気筒配列を考慮すると、フロント側の領域ＡＦは、気筒１４内の内側寄り領域ＡＩであり、リア側の領域ＡＲは、気筒１４内の外側寄り領域ＡＯである。

これをまとめて４気筒全てに関して模式的に表すと、図４のようになる。ハッチングの施された領域は外側寄り領域ＡＯの一例であり、ここにはＥＧＲガス濃度の高い吸気ＥＩが吸気行程で吸入され得る。そして、ハッチングのないただ単に円で囲まれた領域は内側寄り領域ＡＩの一例であり、ここには概ね新気からなる吸気ＣＩが吸気行程で吸入され得る。

一般に、排気ガスであるＥＧＲガスはある程度以上の温度を有していて、機関外から吸入される空気よりはるかに高い温度を有する。したがって、このようなＥＧＲガス濃度分布の存在は、気筒１４内に吸入された吸気において明瞭な温度分布が存在することを意味する。

通常よく知られているＥＧＲ装置を備えた直列４気筒機関では、ＥＧＲガスは吸気通路で新気である吸気と混ざり燃焼室に吸入される。そして、内燃機関の運転を続ける間に複数気筒は熱影響を相互に受ける。したがって、両側の気筒ほど相対的に低温を有し、これに対して中央寄りの気筒ほど相対的に高温を有するようになる。このような温度分布傾向は、各気筒内でも生じる。

これに対して、ここでは、上記のようにＥＧＲガスを気筒ごとに定められた気筒内の所定領域に偏らせて導入し、ＥＧＲガスを気筒１４内で偏在させる。これにより、気筒１４内で従来は相対的に低温であった側に吸入される吸気中のＥＧＲガス濃度を高くすることができる。したがって、それらガス濃度の偏在に起因する温度分布により、気筒１４間の温度分布をより均一化することが可能になる。また、これにより単一気筒１４内での温度分布もより均一化することが可能になる。したがって、気筒１４間での燃料の燃焼速度の差を低減することが可能になる。

そして、気筒１４内での燃料つまり混合気の燃焼を改善するために、上記の如く２つの点火プラグ３４、３６が設けられている。図４の模式図における＃４の気筒に関する部分を切り出してそこにそれら２つの点火プラグ３４、３６を模式的に表した図を図５（ａ）に、４つの気筒１４における全点火プラグの位置を図５（ｂ）にそれぞれ模式的に示す。図５から理解できるように、点火プラグ３６は、ＥＧＲガス濃度の高い吸気ＥＩが吸入され得る外側寄り領域ＡＯに適合するように配置されている。これは、ＥＧＲガス濃度が高い混合気では、燃料が燃焼し難いからである。つまり、燃焼室１２での燃料の燃焼速度、すなわち火炎伝播速度を改善するために、点火プラグ３６が特別に設けられる。点火プラグ３４、３６は、ＥＧＲガスが導入されるとき、両方共に用いられる。ＥＧＲガスが導入されるとき、略中央部に位置する点火プラグ３４による点火により、内側寄り領域ＡＩおよび外側寄り領域ＡＯの燃料の燃焼が促され、偏って位置する点火プラグ３６による点火により、外側寄り領域ＡＯの燃料の燃焼が促される。なお、ＥＧＲガスが導入されないとき、点火プラグ３４のみが用いられるが、２つの点火プラグ３４、３６が共に用いられてもよい。

このように、内燃機関１０では、気筒ごとに、その気筒に適したＥＧＲガス濃度分布をもたせ、かつ、ＥＧＲガス濃度の高い混合気専用の点火プラグ３６を設ける。したがって、燃料の燃焼速度における気筒間バラツキを低減することが可能になるとともに、そのようなＥＧＲガス濃度分布があっても燃料の燃焼を適切に行うことが可能になる。

次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。本第２実施形態に係る内燃機関１０ｂでは、吸気マニホールド４６の吸気枝管４８に、隔壁５０が設けられていない。この点に関連してＥＧＲ装置４０のＥＧＲ口５８の設置箇所等が上記第１実施形態のそれと異なる。しかしながら、これら以外の点では、上記第１実施形態の内燃機関１０と本第２実施形態の内燃機関１０ｂとは概ね同じであるので、それら相違点のみをここで説明する。なお、以下の説明では、上記構成要素と同じあるいは同様の構成要素に上で用いたのと同じ符号を付して、それらの重複する説明を省略する。

上記第１実施形態におけるＥＧＲ口５８は、吸気枝管４８の内、隔壁５０によって分離形成された第１の吸気ポート５２に位置付けられている。しかし、内燃機関１０ｂの吸気マニホールド４６はその隔壁５０を有さないので、同じ箇所にＥＧＲ口５８を位置付けてＥＧＲガスを内燃機関１０ｂの吸気系に導入すると、気筒１４内に導入される前に、新たに吸入された空気である吸気にＥＧＲガスが混ざってしまう。これでは、上記のように、燃焼室１２においてＥＧＲガス濃度分布を持たせることが困難になり得る。

そこで、ここでは、ＥＧＲ口５８を各気筒の吸気弁３０近傍に位置付ける。そして、ＥＧＲ枝管部６０にＥＧＲ弁を設け、ＥＧＲガスを導入するときのみＥＧＲ弁を開くようにする。なお、ＥＧＲ口５８を、各気筒１４においてＥＧＲガスが各気筒１４内の外側寄り領域ＡＯに偏って導入されるように位置付ける点では、上記第１実施形態の内燃機関１０と内燃機関１０ｂとは同じである。それ故、ここでは、ＥＧＲ口５８は、シリンダヘッド１８に形成された２つの吸気ポートの内、外側寄り領域ＡＯに対応する一方に位置付けられる。

以上、本発明を２つの実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、これら以外の実施形態を許容する。例えば、上記内燃機関１０、１０ｂは共に直列４気筒機関であったが、本発明が適用される内燃機関は水平対向機関やＶ型機関であってもよい。これらの形式の内燃機関に本発明を適用する場合、例えばバンク毎に気筒内の内側寄り領域や外側寄り領域が定められるとよい。バンク毎では、複数気筒１４が直列に配列されているに等しいので、本発明を上記のように適用できる。

また、上記実施形態および各変形例では、本発明を筒内直噴式のガソリン機関に適用した例について説明したが、本発明は吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式機関や、ディーゼル機関、キャブレタ式機関、気体燃料を用いる内燃機関など、各種の内燃機関に広く適用することが可能である。なお、内燃機関の車両への設置方式、方向等も、上記実施形態における内燃機関１０、１０ｂのそれらと異なってもよい。

なお、上記実施形態およびその変形例等では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明はこれらに限定されず、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の一部の概略構成を示す図である。 第１実施形態に係る内燃機関の吸気系の一部の模式図である。 第１実施形態に係る内燃機関の１つの気筒での吸気の流れを模式的に表した図である。 第１実施形態の内燃機関における、気筒内での外側寄り領域と内側寄り領域とを概念的に表した図である。 第１実施形態の内燃機関における、２つの点火プラグの位置を模式的に表した図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 気筒
２４ 吸気通路
２８ 排気通路
３３ 燃料噴射弁
３４、４６ 点火プラグ
４２ ＥＧＲ通路
４６ 吸気マニホールド
５０ 隔壁
５８ ＥＧＲガス供給口（ＥＧＲ口）

Claims (3)

1. ＥＧＲ装置を備えると共に複数の気筒を備える内燃機関において、
   該内燃機関の吸気系に臨む前記ＥＧＲ装置のＥＧＲガス供給口は、気筒ごとに設けられ、かつ、ＥＧＲガスが気筒ごとに定められた気筒内の所定領域に偏って導入されるように位置付けられていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記ＥＧＲガス供給口は、各気筒においてＥＧＲガスが各気筒内の外側寄り領域に偏って導入されるように位置付けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 各気筒に対して２つの点火プラグが設けられ、
   該２つの点火プラグのうちの１つは、ＥＧＲガス濃度が高い混合気へ点火するべく設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。

Images