JP3998907B2 - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンのＮＯｘ排出と燃料消費率と減少させる従来技術として、空気量をストイキ燃焼より増加させる所謂リーンバーン燃焼が知られている。ところがこのような従来技術では、排気ガス中に過剰の酸素が存在するため、還元触媒を利用できなくなる可能性がある。
【０００３】
そこで、空気量は同一のままＥＧＲガスを導入することにより、還元触媒を使用しつつ燃費向上を図ることができる。
しかし、ＥＧＲガスを導入することは、筒内作動ガス中に不活性ガスを存在せしめることから、燃焼が悪化する。そこで、ＥＧＲガスを含まない若しくはＥＧＲガス含有率が少ない空気と、ＥＧＲガスとを、筒内に層状に存在させ、空気の部分に点火栓を配置する方法がある。
【０００４】
かかる従来の方法としては、下記が知られている。
〈方法１〉
周辺点火方式のエンジンを前提として、吸気横スワールを与え、横スワール中心部、つまり水平面上筒内中心部にＥＧＲガスを導入し、横スワール外周部、つまり水平面上筒内外周部に空気を導入し、水平面上筒内の中心部と外周部とでＥＧＲガスと空気とを層状化する方法（特開平６−８８５５３号公報参照）。
【０００５】
〈方法２〉
吸気縦スワールを与え、吸気ポートの点火栓から遠い部分にＥＧＲガスを導入し、点火栓付近に縦スワールによる流動を伴った空気を存在させる方法（特開平６−２００７６５号公報参照）。
〈方法３〉
複数の吸気ポートのうち、特定吸気ポートからＥＧＲガスを導入し、別の吸気ポートから空気を導入し、水平面上筒内のＥＧＲガス導入側の吸気ポート付近にＥＧＲガスを層状に存在させる方法（特開平６−２００８３６号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の〈方法１〉及び〈方法２〉においては、スワール流を与えるという構成になっていたため、吸気行程時に層状に供給したＥＧＲガスが圧縮行程にかけて層状に供給した空気と混合され、空気とＥＧＲガスとの層状化が弱まってしまい、より多くのＥＧＲガスを導入できず、十分な燃費効果が出せないという問題点があった。
【０００７】
また、上記従来の〈方法３〉においては、特定吸気ポートからＥＧＲガスを導入して、水平面上で層状化するため、火炎伝播が困難なピストン外周部にも空気及び燃料が存在し、より多くのＥＧＲガスが導入できず、十分な燃費効果が出せない、更に火炎伝播ができない領域で未燃焼ガスがＨＣとして排出されるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、燃焼室内での空気とＥＧＲガスとの層状化を確実にして、燃焼性能の大幅な向上を図ることのできるエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口を下側吸気ポートの下側の壁部に設け、前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口を下側吸気ポートの幅方向で点火栓と反対側の壁部に設け、前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とする。
請求項３に係る発明では、ＥＧＲガス吹出し口から下側吸気ポート内に導入されるＥＧＲガスが該吸気ポートの壁部に沿って流れるように案内するガイドを設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口をＥＧＲガスを燃焼室内の点火栓から離れた領域に直接導入するように燃焼室内に臨ませて設け、前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明では、吸気ポート燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から燃料をＥＧＲガスが流れる部分を避けて噴射することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明では、吸気ポート燃料噴射式エンジンにおいて、燃料の噴射終了時期を、吸気ポートへの筒内空気の逆流開始時期に基づいて設定することを特徴とする。
請求項７に係る発明では、燃料の噴射終了時期を、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期に設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項８に係る発明では、筒内直接燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から燃料を筒内の上部に向けて噴射することを特徴とする。
請求項９に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入せずに、成層燃焼を行う運転条件においても、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１、２、４に係る発明によれば、吸気ポートを上下に分割し、空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制するため、筒内に縦スワール及び横スワールがないこと、及び、ＥＧＲガスを、下側吸気ポートの下側より偏らせて導入（請求項１）、下側吸気ポートの幅方向で点火栓と反対側より偏らせて導入（請求項２）、あるいは、燃焼室内の点火栓から離れた領域に直接導入（請求項４）することで、ＥＧＲガスを筒内の下部や筒内の壁面付近など、点火栓から離れた領域に層状化でき、点火栓部分に空気を集中できることから、ＥＧＲガスと空気との層状化を点火時まで良好に維持でき、より多くのＥＧＲガスを導入できる。また、ＥＧＲガスを燃焼室内の点火栓から離れた領域、つまり筒内の下部に層状化するため、火炎伝播の悪いピストン冠面外周部に火炎を伝播させる必要がなく、失火が低減でき、燃焼効率向上、ＨＣ排出量低減などが可能となる。
【００１７】
請求項３に係る発明によれば、請求項１、２に係る発明において、ＥＧＲガス吹出し口からのＥＧＲガスを案内するガイドを設けることで、ＥＧＲガスをより層状化して吸気できる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、燃料噴射弁から燃料をＥＧＲガスが流れる部分を避けて噴射することで、空気のみに燃料を供給することができ、良好な燃焼が可能となる。
【００１９】
請求項６、更には請求項７に係る発明によれば、燃料の噴射終了時期の適切な設定により、噴射燃料が筒内からの逆流空気に乗ることを防止しつつ、できるだけ遅く噴射して、燃料を筒内の上部、つまり点火栓近傍に集中でき、良好な燃焼が可能となる。
請求項８に係る発明によれば、筒内直接燃料噴射方式の場合に、燃料噴射弁から燃料を筒内の上部に向けて噴射することで、燃料を筒内の上部、つまり点火栓近傍に集中でき、良好な燃焼が可能となる。
【００２０】
請求項９に係る発明によれば、非ＥＧＲ状態で成層燃焼を行う運転条件においても、上側吸気ポートの流量を減少させて、縦スワールの生成を抑制することで、燃料を筒内の上部つまり点火栓近傍に集中でき、良好な燃焼が可能となり、成層燃焼領域の拡大による燃費の向上等が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
図１は本発明の第１実施形態を示している。
このエンジンにおいて、吸入空気は吸気ポート１より吸気弁２が開くことにより燃焼室３内に吸入される。吸気ポート燃料噴射方式の場合は吸気ポート１に配置されている燃料噴射弁（図８の２１参照）より、筒内直接燃料噴射方式の場合は燃焼室３内に臨ませた燃料噴射弁（図１１の２２参照）より、吸入空気中に燃料が噴射供給されて、混合する。燃焼室３内の混合気は、ピストン４により圧縮され、点火栓５により着火されて、燃焼する。そして、排気弁６が開くことにより排気が排気ポート７に排出される。
【００２２】
ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路８、ＥＧＲ制御弁９及びＥＧＲガス吹出し口１０を含んで構成され、燃費向上及びＮＯｘ低減のため、排気ポート７から排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路８により導き、ＥＧＲ制御弁９による制御の下、ＥＧＲガス吹出し口１０より吸気ポート１内に導入する。
ここで、空気とＥＧＲガスとを層状吸気するため、吸気ポート１にこれを上下に２分割すべく、仕切り板１１を配置して、上側吸気ポート１Ａと下側吸気ポート１Ｂとに画成する。そして、上側吸気ポート１Ａに、吸入空気流量を制限できる空気制御弁１２を配置する。そして、下側吸気ポート１Ｂの下側の壁部に、前記ＥＧＲガス吹出し口１０を開口させる。
【００２３】
前記仕切り板１１、空気制御弁１２等のない従来の構成においては、図１５に示すように、吸気ポート１より燃焼室３内に吸入された空気及びＥＧＲガスは、吸気ポート１内で生成されるガス流動により、図１５中のＳ１で示される方向に回転し、その結果、空気及びＥＧＲガスは攪拌され、混合される。
これに対し、本発明（図１）においては、空気制御弁１２を閉じることで、図１中のＳ２に示されるように、燃焼室３内に吸入された空気及びＥＧＲガスは回転せず、ピストン４の下降方向に吸入され、これにより攪拌が防止されて、図２に示すように、空気部分１３とＥＧＲガス部分１４とに層状化される。尚、空気制御弁１２を閉じて空気及びＥＧＲガスを層状化する領域は、図１４（Ａ）中の成層燃焼領域であり、低中回転低中負荷領域に相当する。
【００２４】
また、図３に示すように、圧縮行程後期の点火時期において、ＥＧＲガスを筒内の下部に配置することが可能となって、ピストン外周部１５にＥＧＲガスを配置することができ、燃焼に寄与する空気がピストン外周部１５にないため、火炎伝播の悪いピストン外周部１５に火炎伝播させる必要がなくなり、良好な燃焼が可能となる。また、未燃焼ガスを減少でき、ＨＣ排出量を低減できる。
【００２５】
〈第２実施形態〉
図４及び図５は本発明の第２実施形態を示している。
第２実施形態では、下側吸気ポート１Ｂの側方の壁部、特に幅方向で点火栓５と反対側の壁部に、ＥＧＲガス吹出し口１０を開口させてある。
これにより、図５中に空気部分１３とＥＧＲガス部分１４とを示すように、層状化が可能であり、ＥＧＲガスを燃焼室３の周辺部に集め、点火栓５付近により多くの空気を集めることができ、燃焼が良好となる。
【００２６】
〈第３実施形態〉
図６は本発明の第３実施形態を示している。
第３実施形態では、第１実施形態（図１）又は第２実施形態（図５、図６）のＥＧＲガス吹出し口１０に、該吹出し口１０からのＥＧＲガスを下側吸気ポート１１Ｂの壁部に沿って案内するガイド１６を設けている。これにより、下側吸気ポート１Ｂ内で空気とＥＧＲガスとを確実に分離することができ、更なる層状化が可能となる。
【００２７】
〈第４実施形態〉
図７は本発明の第４実施形態を示している。
第４実施形態では、ＥＧＲガス吹出し口１０を燃焼室３内に直接開口させ、該吹出し口１０には、圧縮、膨張行程時の逆流を防止するため、開閉弁１７を設けている。
【００２８】
ここで、ＥＧＲガス吹出し口１０は、吸気ポート１（下側吸気ポート１Ｂ）よりも下方に設けて、ＥＧＲガスの吸入空気との攪拌を防止しつつ、ＥＧＲガスを燃焼室３内の下側部分に導入するようして、層状化を可能としている。前記開閉弁１７としては、従来からよく知られた電磁駆動弁を用いて、吸気弁２の開時期とほぼ同じ期間、開弁させる。
【００２９】
〈第５実施形態〉
図８は本発明の第５実施形態を示している。
第５実施形態は、吸気ポート燃料噴射方式の場合の燃料噴射弁２１の好ましい噴射方向を示しており、燃料噴射弁２１を下側吸気ポート１Ｂに取付けて、ＥＧＲガス吹出し口１０及びこれから吹出すＥＧＲガス（１４）を避けて、燃料（２３）を噴射するようにしている。
【００３０】
これにより、噴射燃料をＥＧＲガス中に供給することを防止でき、燃焼困難なＥＧＲガス内部の燃料がなくなることで、未燃焼燃料を低減でき、燃費の向上及び排気有害成分の低減が可能となる。
〈第６実施形態〉
図９は本発明の第６実施形態を示す燃料噴射時期の説明図である。
【００３１】
第６実施形態では、吸気ポート燃料噴射方式の場合の燃料噴射弁の好ましい燃料噴射時期（特に燃料噴射終了時期）について規定する。
すなわち、図９に示す燃料噴射終了時期Ｔ１のように、燃料噴射終了時期を吸気ポートへの筒内からの逆流空気を考慮した時期に設定する。
詳しくは、燃料噴射終了時期を、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期に設定する。
【００３２】
すなわち、吸気弁が開いていても、下死点（ＢＤＣ）以降はピストンが上昇してくるため、筒内へ吸入されていた空気が、吸気ポートに逆流してくる。この逆流空気の元となるのは、逆流開始時期の直前に吸入した逆流空気と同一量の空気であり、この空気への燃料噴射を避ける必要がある。その一方、できるだけ、燃料噴射を遅らせて、噴射燃料を燃焼室内の上部に集中させる必要がある。時期Ｔ１はこの逆流する空気に燃料を混合させない最も遅い噴射終了時期を示す。
【００３３】
従って、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期Ｔ１に、燃料噴射を終了するように、燃料噴射期間を設定する。
つまり、図１０（Ａ）に示すように、燃料噴射終了時期をＴ１とした場合は、逆流する空気に燃料を混合させることなく、できるだけ遅く噴射することで、噴射燃料２３を筒内の上部つまり点火栓部分に集中できる。しかも、縦スワール流がないため、点火時相当においてもこの集中は維持でき、よって燃焼向上が期待できる。
【００３４】
燃料噴射終了時期を時期Ｔ１より早い時期Ｔ２とした場合は、逆流はないものの、図１０（Ｂ）に示すように、噴射燃料２３は時期Ｔ１の場合に比べ、燃焼室内の下部に位置するようになり、好ましくない。
燃料噴射終了時期を時期Ｔ１より遅い時期Ｔ３とした場合は、噴射燃料２３は逆流のため吸気ポートに戻され、次行程に吸入され、結果的に図１０（Ｃ）に示すように、噴射燃料２３は時期Ｔ２の場合よりも更に燃焼室内の下部に位置するようになり、好ましくない。
【００３５】
尚、燃料噴射終了時期は一定値として与えられるが、エンジン回転数によって変化させてもよく、可変動弁機構を備える場合は、吸気弁閉時期に応じて決定してもよい。
〈第７実施形態〉
図１１は本発明の第７実施形態を示している。
【００３６】
第７実施形態は、筒内直接燃料噴射方式の場合の燃料噴射弁２２の好ましい噴射方向を示しており、燃料噴射弁２２を燃焼室３内に直接臨ませて、燃焼室３の上側部分に向かって、すなわち、空気部分１３に向かって噴射するように、噴射方向を設定している。
これにより、空気部分１３のみに噴射燃料２３を供給することが可能となり、良好な燃焼が可能となることから、燃費の向上及び排気有害成分の低減が可能となる。
【００３７】
〈第８実施形態〉
図１２は本発明の第８実施形態を示している。
第８実施形態は、非ＥＧＲ領域まで、成層燃焼領域を拡大するものである。
図１４（Ａ），（Ｂ）を参照し、ＥＧＲガスを導入せずに、成層燃焼を行う運転条件（図１４（Ｂ）中のダブルハッチング部分）において、空気制御弁１２を閉じて、上側吸気ポート１Ａの吸入空気量を制限することで、筒内の縦スワールを低減し、かつ、第６実施形態と同様に燃料噴射終了時期を吸気ポートへの筒内からの逆流空気を考慮した時期に設定する。
【００３８】
これにより、図１２に示すように、ＥＧＲガスの供給はないものの、縦スワールの低減と燃料噴射時期の調整とにより、噴射燃料２３を筒内の上部に集中できて、希薄燃焼が可能となり、燃費の向上が図れる。言い換えれば、非ＥＧＲ領域まで、成層燃焼領域を拡大できる。
〈第９実施形態〉
図１３は本発明の第９実施形態を示している。
【００３９】
第９実施形態では、上側吸気ポート１Ａに空気制御弁１２を設ける他、下側吸気ポート１Ｂに前記空気制御弁１２と同期して逆位相で開閉する空気制御弁１２’を設ける。
従って、図１４（Ａ）中の成層燃焼領域では、空気制御弁１２を閉じ、空気制御弁１２’を開いて、これまでの説明と同じ作用が得られる。
【００４０】
これに対し、ＥＧＲガスを導入せずに、均質燃焼を行う運転条件、すなわち、始動時や、図１４（Ｂ）中のダブルハッチング部分を除く、ハッチング領域（均質リーン燃焼領域、均質ストイキ燃焼領域）では、図１３に示すように、空気制御弁１２を開く一方、空気制御弁１２’を閉じる。
空気制御弁１２を開く一方、空気制御弁１２’を閉じることで、上側吸気ポート１Ａの空気流量が増加し、下側吸気ポート１Ｂの空気流量が減少することにより、縦スワールが従来の構成の場合より強化され、始動時等の筒内混合気分布が不均一な時に筒内燃料を攪拌し、均一な混合気場を形成できる。よって、始動時の供給燃料量を減らせ、燃費の向上や始動時の排気有害成分の低減が図れる。また、希薄燃焼時に燃焼速度が増加し、より薄い混合気で燃焼が可能となり、燃費の向上やＮＯｘの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示すエンジンの概略構成図
【図２】 第１実施形態での吸気時の層状化の様子を示す図
【図３】 第１実施形態での点火時の層状化の様子を示す図
【図４】 本発明の第２実施形態を示すエンジンの概略構成図
【図５】 第２実施形態でのエンジンの平面図
【図６】 本発明の第３実施形態を示すガイド付ＥＧＲガス吹出し口の図
【図７】 本発明の第４実施形態を示す燃焼室内ＥＧＲ吹出し口の図
【図８】 本発明の第５実施形態を示す吸気ポート燃料噴射方式の図
【図９】 本発明の第６実施形態を示す燃料噴射終了時期の説明図
【図１０】 第６実施形態の効果を示す図
【図１１】 本発明の第７実施形態を示す筒内直接燃料噴射方式の図
【図１２】 本発明の第８実施形態を示す図
【図１３】 本発明の第９実施形態を示す図
【図１４】 運転条件による燃焼形態及びＥＧＲ率を示す図
【図１５】 従来例を示すエンジンの概略構成図
【符号の説明】
１ 吸気ポート
１Ａ 上側吸気ポート
１Ｂ 下側吸気ポート
２ 吸気弁
３ 燃焼室
４ ピストン
５ 点火栓
６ 排気弁
７ 排気ポート
８ ＥＧＲ通路
９ ＥＧＲ制御弁
１０ ＥＧＲガス吹出し口
１１ 仕切り板
１２，１２’ 空気制御弁
１３ 空気部分
１４ ＥＧＲガス部分
１５ ピストン外周部
１６ ガイド
１７ 開閉弁
２１ 燃料噴射弁（吸気ポート燃料噴射方式）
２２ 燃料噴射弁（筒内直接燃料噴射方式）
２３ 噴射燃料
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンのＮＯｘ排出と燃料消費率と減少させる従来技術として、空気量をストイキ燃焼より増加させる所謂リーンバーン燃焼が知られている。ところがこのような従来技術では、排気ガス中に過剰の酸素が存在するため、還元触媒を利用できなくなる可能性がある。
【０００３】
そこで、空気量は同一のままＥＧＲガスを導入することにより、還元触媒を使用しつつ燃費向上を図ることができる。
しかし、ＥＧＲガスを導入することは、筒内作動ガス中に不活性ガスを存在せしめることから、燃焼が悪化する。そこで、ＥＧＲガスを含まない若しくはＥＧＲガス含有率が少ない空気と、ＥＧＲガスとを、筒内に層状に存在させ、空気の部分に点火栓を配置する方法がある。
【０００４】
かかる従来の方法としては、下記が知られている。
〈方法１〉
周辺点火方式のエンジンを前提として、吸気横スワールを与え、横スワール中心部、つまり水平面上筒内中心部にＥＧＲガスを導入し、横スワール外周部、つまり水平面上筒内外周部に空気を導入し、水平面上筒内の中心部と外周部とでＥＧＲガスと空気とを層状化する方法（特開平６−８８５５３号公報参照）。
【０００５】
〈方法２〉
吸気縦スワールを与え、吸気ポートの点火栓から遠い部分にＥＧＲガスを導入し、点火栓付近に縦スワールによる流動を伴った空気を存在させる方法（特開平６−２００７６５号公報参照）。
〈方法３〉
複数の吸気ポートのうち、特定吸気ポートからＥＧＲガスを導入し、別の吸気ポートから空気を導入し、水平面上筒内のＥＧＲガス導入側の吸気ポート付近にＥＧＲガスを層状に存在させる方法（特開平６−２００８３６号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の〈方法１〉及び〈方法２〉においては、スワール流を与えるという構成になっていたため、吸気行程時に層状に供給したＥＧＲガスが圧縮行程にかけて層状に供給した空気と混合され、空気とＥＧＲガスとの層状化が弱まってしまい、より多くのＥＧＲガスを導入できず、十分な燃費効果が出せないという問題点があった。
【０００７】
また、上記従来の〈方法３〉においては、特定吸気ポートからＥＧＲガスを導入して、水平面上で層状化するため、火炎伝播が困難なピストン外周部にも空気及び燃料が存在し、より多くのＥＧＲガスが導入できず、十分な燃費効果が出せない、更に火炎伝播ができない領域で未燃焼ガスがＨＣとして排出されるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、燃焼室内での空気とＥＧＲガスとの層状化を確実にして、燃焼性能の大幅な向上を図ることのできるエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口を下側吸気ポートの下側の壁部に設け、前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口を下側吸気ポートの幅方向で点火栓と反対側の壁部に設け、前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とする。
請求項３に係る発明では、ＥＧＲガス吹出し口から下側吸気ポート内に導入されるＥＧＲガスが該吸気ポートの壁部に沿って流れるように案内するガイドを設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口をＥＧＲガスを燃焼室内の点火栓から離れた領域に直接導入するように燃焼室内に臨ませて設け、前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明では、吸気ポート燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から燃料をＥＧＲガスが流れる部分を避けて噴射することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明では、吸気ポート燃料噴射式エンジンにおいて、燃料の噴射終了時期を、吸気ポートへの筒内空気の逆流開始時期に基づいて設定することを特徴とする。
請求項７に係る発明では、燃料の噴射終了時期を、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期に設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項８に係る発明では、筒内直接燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から燃料を筒内の上部に向けて噴射することを特徴とする。
請求項９に係る発明では、燃焼室内にＥＧＲガスを導入せずに、成層燃焼を行う運転条件においても、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１、２、４に係る発明によれば、吸気ポートを上下に分割し、空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制するため、筒内に縦スワール及び横スワールがないこと、及び、ＥＧＲガスを、下側吸気ポートの下側より偏らせて導入（請求項１）、下側吸気ポートの幅方向で点火栓と反対側より偏らせて導入（請求項２）、あるいは、燃焼室内の点火栓から離れた領域に直接導入（請求項４）することで、ＥＧＲガスを筒内の下部や筒内の壁面付近など、点火栓から離れた領域に層状化でき、点火栓部分に空気を集中できることから、ＥＧＲガスと空気との層状化を点火時まで良好に維持でき、より多くのＥＧＲガスを導入できる。また、ＥＧＲガスを燃焼室内の点火栓から離れた領域、つまり筒内の下部に層状化するため、火炎伝播の悪いピストン冠面外周部に火炎を伝播させる必要がなく、失火が低減でき、燃焼効率向上、ＨＣ排出量低減などが可能となる。
【００１７】
請求項３に係る発明によれば、請求項１、２に係る発明において、ＥＧＲガス吹出し口からのＥＧＲガスを案内するガイドを設けることで、ＥＧＲガスをより層状化して吸気できる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、燃料噴射弁から燃料をＥＧＲガスが流れる部分を避けて噴射することで、空気のみに燃料を供給することができ、良好な燃焼が可能となる。
【００１９】
請求項６、更には請求項７に係る発明によれば、燃料の噴射終了時期の適切な設定により、噴射燃料が筒内からの逆流空気に乗ることを防止しつつ、できるだけ遅く噴射して、燃料を筒内の上部、つまり点火栓近傍に集中でき、良好な燃焼が可能となる。
請求項８に係る発明によれば、筒内直接燃料噴射方式の場合に、燃料噴射弁から燃料を筒内の上部に向けて噴射することで、燃料を筒内の上部、つまり点火栓近傍に集中でき、良好な燃焼が可能となる。
【００２０】
請求項９に係る発明によれば、非ＥＧＲ状態で成層燃焼を行う運転条件においても、上側吸気ポートの流量を減少させて、縦スワールの生成を抑制することで、燃料を筒内の上部つまり点火栓近傍に集中でき、良好な燃焼が可能となり、成層燃焼領域の拡大による燃費の向上等が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
図１は本発明の第１実施形態を示している。
このエンジンにおいて、吸入空気は吸気ポート１より吸気弁２が開くことにより燃焼室３内に吸入される。吸気ポート燃料噴射方式の場合は吸気ポート１に配置されている燃料噴射弁（図８の２１参照）より、筒内直接燃料噴射方式の場合は燃焼室３内に臨ませた燃料噴射弁（図１１の２２参照）より、吸入空気中に燃料が噴射供給されて、混合する。燃焼室３内の混合気は、ピストン４により圧縮され、点火栓５により着火されて、燃焼する。そして、排気弁６が開くことにより排気が排気ポート７に排出される。
【００２２】
ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路８、ＥＧＲ制御弁９及びＥＧＲガス吹出し口１０を含んで構成され、燃費向上及びＮＯｘ低減のため、排気ポート７から排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路８により導き、ＥＧＲ制御弁９による制御の下、ＥＧＲガス吹出し口１０より吸気ポート１内に導入する。
ここで、空気とＥＧＲガスとを層状吸気するため、吸気ポート１にこれを上下に２分割すべく、仕切り板１１を配置して、上側吸気ポート１Ａと下側吸気ポート１Ｂとに画成する。そして、上側吸気ポート１Ａに、吸入空気流量を制限できる空気制御弁１２を配置する。そして、下側吸気ポート１Ｂの下側の壁部に、前記ＥＧＲガス吹出し口１０を開口させる。
【００２３】
前記仕切り板１１、空気制御弁１２等のない従来の構成においては、図１５に示すように、吸気ポート１より燃焼室３内に吸入された空気及びＥＧＲガスは、吸気ポート１内で生成されるガス流動により、図１５中のＳ１で示される方向に回転し、その結果、空気及びＥＧＲガスは攪拌され、混合される。
これに対し、本発明（図１）においては、空気制御弁１２を閉じることで、図１中のＳ２に示されるように、燃焼室３内に吸入された空気及びＥＧＲガスは回転せず、ピストン４の下降方向に吸入され、これにより攪拌が防止されて、図２に示すように、空気部分１３とＥＧＲガス部分１４とに層状化される。尚、空気制御弁１２を閉じて空気及びＥＧＲガスを層状化する領域は、図１４（Ａ）中の成層燃焼領域であり、低中回転低中負荷領域に相当する。
【００２４】
また、図３に示すように、圧縮行程後期の点火時期において、ＥＧＲガスを筒内の下部に配置することが可能となって、ピストン外周部１５にＥＧＲガスを配置することができ、燃焼に寄与する空気がピストン外周部１５にないため、火炎伝播の悪いピストン外周部１５に火炎伝播させる必要がなくなり、良好な燃焼が可能となる。また、未燃焼ガスを減少でき、ＨＣ排出量を低減できる。
【００２５】
〈第２実施形態〉
図４及び図５は本発明の第２実施形態を示している。
第２実施形態では、下側吸気ポート１Ｂの側方の壁部、特に幅方向で点火栓５と反対側の壁部に、ＥＧＲガス吹出し口１０を開口させてある。
これにより、図５中に空気部分１３とＥＧＲガス部分１４とを示すように、層状化が可能であり、ＥＧＲガスを燃焼室３の周辺部に集め、点火栓５付近により多くの空気を集めることができ、燃焼が良好となる。
【００２６】
〈第３実施形態〉
図６は本発明の第３実施形態を示している。
第３実施形態では、第１実施形態（図１）又は第２実施形態（図５、図６）のＥＧＲガス吹出し口１０に、該吹出し口１０からのＥＧＲガスを下側吸気ポート１１Ｂの壁部に沿って案内するガイド１６を設けている。これにより、下側吸気ポート１Ｂ内で空気とＥＧＲガスとを確実に分離することができ、更なる層状化が可能となる。
【００２７】
〈第４実施形態〉
図７は本発明の第４実施形態を示している。
第４実施形態では、ＥＧＲガス吹出し口１０を燃焼室３内に直接開口させ、該吹出し口１０には、圧縮、膨張行程時の逆流を防止するため、開閉弁１７を設けている。
【００２８】
ここで、ＥＧＲガス吹出し口１０は、吸気ポート１（下側吸気ポート１Ｂ）よりも下方に設けて、ＥＧＲガスの吸入空気との攪拌を防止しつつ、ＥＧＲガスを燃焼室３内の下側部分に導入するようして、層状化を可能としている。前記開閉弁１７としては、従来からよく知られた電磁駆動弁を用いて、吸気弁２の開時期とほぼ同じ期間、開弁させる。
【００２９】
〈第５実施形態〉
図８は本発明の第５実施形態を示している。
第５実施形態は、吸気ポート燃料噴射方式の場合の燃料噴射弁２１の好ましい噴射方向を示しており、燃料噴射弁２１を下側吸気ポート１Ｂに取付けて、ＥＧＲガス吹出し口１０及びこれから吹出すＥＧＲガス（１４）を避けて、燃料（２３）を噴射するようにしている。
【００３０】
これにより、噴射燃料をＥＧＲガス中に供給することを防止でき、燃焼困難なＥＧＲガス内部の燃料がなくなることで、未燃焼燃料を低減でき、燃費の向上及び排気有害成分の低減が可能となる。
〈第６実施形態〉
図９は本発明の第６実施形態を示す燃料噴射時期の説明図である。
【００３１】
第６実施形態では、吸気ポート燃料噴射方式の場合の燃料噴射弁の好ましい燃料噴射時期（特に燃料噴射終了時期）について規定する。
すなわち、図９に示す燃料噴射終了時期Ｔ１のように、燃料噴射終了時期を吸気ポートへの筒内からの逆流空気を考慮した時期に設定する。
詳しくは、燃料噴射終了時期を、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期に設定する。
【００３２】
すなわち、吸気弁が開いていても、下死点（ＢＤＣ）以降はピストンが上昇してくるため、筒内へ吸入されていた空気が、吸気ポートに逆流してくる。この逆流空気の元となるのは、逆流開始時期の直前に吸入した逆流空気と同一量の空気であり、この空気への燃料噴射を避ける必要がある。その一方、できるだけ、燃料噴射を遅らせて、噴射燃料を燃焼室内の上部に集中させる必要がある。時期Ｔ１はこの逆流する空気に燃料を混合させない最も遅い噴射終了時期を示す。
【００３３】
従って、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期Ｔ１に、燃料噴射を終了するように、燃料噴射期間を設定する。
つまり、図１０（Ａ）に示すように、燃料噴射終了時期をＴ１とした場合は、逆流する空気に燃料を混合させることなく、できるだけ遅く噴射することで、噴射燃料２３を筒内の上部つまり点火栓部分に集中できる。しかも、縦スワール流がないため、点火時相当においてもこの集中は維持でき、よって燃焼向上が期待できる。
【００３４】
燃料噴射終了時期を時期Ｔ１より早い時期Ｔ２とした場合は、逆流はないものの、図１０（Ｂ）に示すように、噴射燃料２３は時期Ｔ１の場合に比べ、燃焼室内の下部に位置するようになり、好ましくない。
燃料噴射終了時期を時期Ｔ１より遅い時期Ｔ３とした場合は、噴射燃料２３は逆流のため吸気ポートに戻され、次行程に吸入され、結果的に図１０（Ｃ）に示すように、噴射燃料２３は時期Ｔ２の場合よりも更に燃焼室内の下部に位置するようになり、好ましくない。
【００３５】
尚、燃料噴射終了時期は一定値として与えられるが、エンジン回転数によって変化させてもよく、可変動弁機構を備える場合は、吸気弁閉時期に応じて決定してもよい。
〈第７実施形態〉
図１１は本発明の第７実施形態を示している。
【００３６】
第７実施形態は、筒内直接燃料噴射方式の場合の燃料噴射弁２２の好ましい噴射方向を示しており、燃料噴射弁２２を燃焼室３内に直接臨ませて、燃焼室３の上側部分に向かって、すなわち、空気部分１３に向かって噴射するように、噴射方向を設定している。
これにより、空気部分１３のみに噴射燃料２３を供給することが可能となり、良好な燃焼が可能となることから、燃費の向上及び排気有害成分の低減が可能となる。
【００３７】
〈第８実施形態〉
図１２は本発明の第８実施形態を示している。
第８実施形態は、非ＥＧＲ領域まで、成層燃焼領域を拡大するものである。
図１４（Ａ），（Ｂ）を参照し、ＥＧＲガスを導入せずに、成層燃焼を行う運転条件（図１４（Ｂ）中のダブルハッチング部分）において、空気制御弁１２を閉じて、上側吸気ポート１Ａの吸入空気量を制限することで、筒内の縦スワールを低減し、かつ、第６実施形態と同様に燃料噴射終了時期を吸気ポートへの筒内からの逆流空気を考慮した時期に設定する。
【００３８】
これにより、図１２に示すように、ＥＧＲガスの供給はないものの、縦スワールの低減と燃料噴射時期の調整とにより、噴射燃料２３を筒内の上部に集中できて、希薄燃焼が可能となり、燃費の向上が図れる。言い換えれば、非ＥＧＲ領域まで、成層燃焼領域を拡大できる。
〈第９実施形態〉
図１３は本発明の第９実施形態を示している。
【００３９】
第９実施形態では、上側吸気ポート１Ａに空気制御弁１２を設ける他、下側吸気ポート１Ｂに前記空気制御弁１２と同期して逆位相で開閉する空気制御弁１２’を設ける。
従って、図１４（Ａ）中の成層燃焼領域では、空気制御弁１２を閉じ、空気制御弁１２’を開いて、これまでの説明と同じ作用が得られる。
【００４０】
これに対し、ＥＧＲガスを導入せずに、均質燃焼を行う運転条件、すなわち、始動時や、図１４（Ｂ）中のダブルハッチング部分を除く、ハッチング領域（均質リーン燃焼領域、均質ストイキ燃焼領域）では、図１３に示すように、空気制御弁１２を開く一方、空気制御弁１２’を閉じる。
空気制御弁１２を開く一方、空気制御弁１２’を閉じることで、上側吸気ポート１Ａの空気流量が増加し、下側吸気ポート１Ｂの空気流量が減少することにより、縦スワールが従来の構成の場合より強化され、始動時等の筒内混合気分布が不均一な時に筒内燃料を攪拌し、均一な混合気場を形成できる。よって、始動時の供給燃料量を減らせ、燃費の向上や始動時の排気有害成分の低減が図れる。また、希薄燃焼時に燃焼速度が増加し、より薄い混合気で燃焼が可能となり、燃費の向上やＮＯｘの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示すエンジンの概略構成図
【図２】 第１実施形態での吸気時の層状化の様子を示す図
【図３】 第１実施形態での点火時の層状化の様子を示す図
【図４】 本発明の第２実施形態を示すエンジンの概略構成図
【図５】 第２実施形態でのエンジンの平面図
【図６】 本発明の第３実施形態を示すガイド付ＥＧＲガス吹出し口の図
【図７】 本発明の第４実施形態を示す燃焼室内ＥＧＲ吹出し口の図
【図８】 本発明の第５実施形態を示す吸気ポート燃料噴射方式の図
【図９】 本発明の第６実施形態を示す燃料噴射終了時期の説明図
【図１０】 第６実施形態の効果を示す図
【図１１】 本発明の第７実施形態を示す筒内直接燃料噴射方式の図
【図１２】 本発明の第８実施形態を示す図
【図１３】 本発明の第９実施形態を示す図
【図１４】 運転条件による燃焼形態及びＥＧＲ率を示す図
【図１５】 従来例を示すエンジンの概略構成図
【符号の説明】
１ 吸気ポート
１Ａ 上側吸気ポート
１Ｂ 下側吸気ポート
２ 吸気弁
３ 燃焼室
４ ピストン
５ 点火栓
６ 排気弁
７ 排気ポート
８ ＥＧＲ通路
９ ＥＧＲ制御弁
１０ ＥＧＲガス吹出し口
１１ 仕切り板
１２，１２’ 空気制御弁
１３ 空気部分
１４ ＥＧＲガス部分
１５ ピストン外周部
１６ ガイド
１７ 開閉弁
２１ 燃料噴射弁（吸気ポート燃料噴射方式）
２２ 燃料噴射弁（筒内直接燃料噴射方式）
２３ 噴射燃料
Claims (9)
- 燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、
吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口を下側吸気ポートの下側の壁部に設け、
前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。 - 燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、
吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口を下側吸気ポートの幅方向で点火栓と反対側の壁部に設け、
前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。 - ＥＧＲガス吹出し口から下側吸気ポート内に導入されるＥＧＲガスが該吸気ポートの壁部に沿って流れるように案内するガイドを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジンの燃焼制御装置。
- 燃焼室内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置を備えるエンジンにおいて、
吸気ポートを上下に分割して、上側吸気ポートに吸入空気流量を制限できる空気制御弁を配置すると共に、ＥＧＲガス吹出し口をＥＧＲガスを燃焼室内の点火栓から離れた領域に直接導入するように燃焼室内に臨ませて設け、
前記空気制御弁により、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制し、燃焼室内の点火栓から離れた領域にＥＧＲガスを層状化することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。 - 吸気ポート燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から燃料をＥＧＲガスが流れる部分を避けて噴射することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置。
- 吸気ポート燃料噴射式エンジンにおいて、燃料の噴射終了時期を、吸気ポートへの筒内空気の逆流開始時期に基づいて設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置。
- 燃料の噴射終了時期を、逆流開始の直前に逆流空気量と略同量の空気を吸入する期間だけ、逆流開始時期より進角した時期に設定することを特徴とする請求項６記載のエンジンの燃焼制御装置。
- 筒内直接燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から燃料を筒内の上部に向けて噴射することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置。
- 燃焼室内にＥＧＲガスを導入せずに、成層燃焼を行う運転条件においても、上側吸気ポートの流量を減少させて、燃焼室内での縦スワールの生成を抑制することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置。
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