JP2004286012A

JP2004286012A - 圧縮着火内燃機関

Info

Publication number: JP2004286012A
Application number: JP2003378926A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kawai; 健二河合; Yasushi Katsurayama; 裕史葛山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができる圧縮着火内燃機関を提供することを課題とする。
【解決手段】燃焼室１の２つの吸気口６ａ及び６ｂにカムにより開閉駆動される吸気バルブ１０及び１１が、第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂにカムにより開閉駆動される第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３がそれぞれ配置されている。さらに吸気通路４の途中には吸気スロットル１４が、第２排気分岐路８ｂの途中には火花点火燃焼時の吸気行程中だけ閉じられる排気スロットル１５がそれぞれ取り付けられている。圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼にかかわらず排気行程では第１排気バルブ１２が開かれ、また、吸気行程では２つの吸気バルブ１０及び１１が開かれると共に吸気行程中後半に第２排気バルブ１３が開かれる。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧縮着火内燃機関に係り、特に火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切り替えて行う圧縮着火内燃機関に関する。

従来より、圧縮着火エンジンとして、低負荷及び中負荷の領域で圧縮着火燃焼を行い、高負荷の領域で火花点火燃焼を行うものがある。このエンジンでは、図１０に示されるように、圧縮着火燃焼時の吸気行程中に、吸気バルブを符号Ａのようなタイミング・リフト量で開くと共に排気バルブを符号Ｂまたは符号Ｃのようなタイミング・リフト量で開くことにより、排気行程で排気バルブから排気通路に排出された高温の排気ガスを燃焼室に還流させて内部ＥＧＲを行い、その結果、燃焼室内を加熱して圧縮着火させる。また、火花点火燃焼時には、高温の排気ガスを使用するとノッキングの発生が促進される虞があるため、吸気行程中に排気バルブを開かないことが望ましい。例えば、特許文献１では、電磁式のバルブ駆動装置を利用して、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時の吸気行程にそれぞれ対応した排気バルブの制御を行っている。

特開２００１−３４９２１９号公報

しかしながら、上述した電磁式のバルブ駆動装置はコストが非常に高いため、最終的にエンジン全体もコストが高くなってしまう問題がある。また、電磁式のバルブ駆動装置を使用して圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とにそれぞれ対応して排気バルブを開閉することは、複雑な制御を伴うものである。さらに、既存のエンジンはカムを使用してバルブの制御を行うものが多い。よって、そのような既存のエンジンを改造して電磁式のバルブ駆動装置を組み込むのは大幅な改造となるため、既存のカム式のエンジンを流用できれば好適である。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができる圧縮着火内燃機関を提供することを目的とする。

この発明に係る圧縮着火内燃機関は、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替えて行う圧縮着火内燃機関において、吸気通路及び排気通路が連通される燃焼室と、吸気通路中に設けられ、吸気通路の開閉を行う吸気手段と、排気通路中に設けられ、カムにより駆動されて排気通路の開閉を行うと共に少なくとも圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時のそれぞれの排気行程中及び吸気行程中に排気通路を開く排気手段と、排気通路中に設けられ、少なくとも圧縮着火燃焼時の吸気行程中に開弁することで燃焼室への排気ガスの還流を行うと共に、火花点火燃焼時の吸気行程中の少なくとも前記排気手段が開いている間は閉弁することで、燃焼室への排気ガスの還流を防止する排気ガス還流防止手段とを備えるものである。なお、ここでいう「排気行程中」とは、排気行程中の全ての期間という意味だけでなく、排気行程中の一部の期間という意味も含む。また、「吸気行程中」についても同様である。

排気通路は、燃焼室毎に設けられる合流路と、合流路の上流で分岐して燃焼室に連通する第１及び第２排気分岐路とを備え、排気手段は、第１排気分岐路に設けられ、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時において、排気行程のみ開く第１排気バルブと、第２排気分岐路に設けられ、少なくとも吸気行程に開く第２排気バルブとを含み、排気ガス還流防止手段は、第２排気分岐路に設けられて火花点火燃焼時には第２排気分岐路を常に遮断すると共に、圧縮着火燃焼時には第２排気分岐路を常に開通する排気スロットルであってもよい。
また、排気手段は、２段カムを介して排気行程及び吸気行程の両方で開く各燃焼室毎に設けられた単一の排気バルブを含み、排気ガス還流防止手段は、排気通路に設けられて、排気行程中に開いて排気を行うと共に、火花点火燃焼時における吸気行程の少なくとも排気バルブが開弁する間、排気通路を遮断する排気スロットルであってもよい。
さらに、燃焼室は複数設けられており、排気手段は、各燃焼室毎に設けられ少なくとも吸気行程に開く複数の排気バルブを含み、排気通路は、少なくとも吸気行程に開く前記排気バルブによって流路が開閉される複数の排気分岐路と、これら排気分岐路を一つにまとめる排気合流路とを備え、排気ガス還流防止手段は、排気合流路に設けられて火花点火燃焼時における吸気行程の少なくとも排気バルブが開弁する間、排気合流路を遮断する排気スロットルであってもよい。
また、前記燃焼室及び前記排気通路は第１排気口及び第２排気口によって連通されており、前記排気通路は、その上流端部に、第１排気口及び第２排気口の双方を包含するように両排気口に接続される単一管状の連通室を有し、前記排気手段は、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時において、排気行程のみ前記第１排気口を開く第１排気バルブと、少なくとも吸気行程に前記第２排気口を開く第２排気バルブとを有し、前記排気ガス還流防止手段は、閉弁時に第１排気口及び第２排気口が相互に非連通状態となるように前記連通室内を区切るシャッターバルブを有し、該シャッターバルブは、圧縮着火燃焼時の少なくとも吸気行程に第１排気口及び第２排気口が相互に連通状態となるように開弁する、ように構成してもよい。
また、燃焼室への新気の流入を制限する吸気制御手段を備え、圧縮着火燃焼時の吸気行程中に吸気制御手段により新気の流入量を制限することにより排気手段からの排気ガスの還流を増やすことが好ましい。

この発明によれば、吸気通路及び排気通路が連通される燃焼室と、吸気通路中に設けられ且つカムを介して開閉駆動される吸気手段と、排気通路中に設けられ且つカムを介して開閉駆動されると共に圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時のそれぞれの排気行程中及び吸気行程中に開かれる排気手段と、火花点火燃焼時の吸気行程中に燃焼室への排気ガスの還流を防止する排気ガス還流防止手段とを備えたので、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１に、実施の形態１に係る圧縮着火内燃機関として、ガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）等に使用される圧縮着火エンジンの１つの燃焼室近傍を平面的にみた模式図を示す。エンジンの燃焼室１に吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２は、吸気合流路４とその先端で２つに分岐した吸気分岐路５ａ及び５ｂとからなり、これら２つの吸気分岐路５ａ及び５ｂがほぼ同径の２つの吸気口６ａ及び６ｂを介してそれぞれ燃焼室１に連通されている。また、吸気合流路４には燃料供給通路４ａが連通されており、燃料であるガスが燃料供給通路４ａを通って吸気通路に供給される。これにより、燃料と空気とが燃焼室１への流入前に予め混合された後に燃焼室１内にて圧縮着火燃焼される、いわゆる予混合圧縮着火燃焼が行われる。一方、排気通路３は、排気合流路７とその先端で２つに分岐した第１排気分岐路８ａ及び第２排気分岐路８ｂとからなり、これら第１排気分岐路８ａ及び８ｂが相互に径の異なる第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂを介して燃焼室１に連通されている。図１に示されるように、第２排気口９ｂは第１排気口９ａよりも小径に設定されている。

また、２つの吸気口６ａ及び６ｂにはそれぞれ吸気手段としての吸気バルブ１０及び１１が配置されており、これら２つの吸気バルブ１０及び１１が図示しない吸気バルブ用のカムを介して開閉駆動される構成になっている。一方、第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂにはそれぞれ排気手段としての第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３が配置されており、これら第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３もまた図示しない排気バルブ用のカムを介して開閉駆動される構成になっている。さらに、吸気合流路４の途中にはこの吸気合流路４を狭めて燃焼室１への新気の流入を制限する吸気制御手段としての吸気スロットル１４が取り付けられている。また、第２排気口９ｂにつながる第２排気分岐路８ｂの途中には排気ガス還流防止手段としてこの第２排気分岐路８ｂを開閉する排気スロットル１５が取り付けられており、本実施の形態では、この排気スロットル１５は火花点火燃焼時において常に閉じられ、圧縮着火燃焼時において常に開かれるようになっている。なお、図示しないが、燃焼室１内には火花点火燃焼のための点火プラグが配置されている。

ここで、図２を参照して、２つの吸気バルブ１０及び１１、第１排気バルブ１２と第２排気バルブ１３とを吸気行程及び排気行程においてどのように開閉制御するかを説明する。この吸気行程及び排気行程における制御は、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時にかかわらず一定の開閉動作となるように行われる。図２に示されるように、排気行程では第１排気バルブ１２が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開かれる。また、吸気行程では、２つの吸気バルブ１０及び１１が共に符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれ、さらに吸気行程中の後半に第２排気バルブ１３が符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開かれる。すなわち、第１排気バルブ１２は排気行程のみ開弁し、第２排気バルブ１３は吸気行程の後半のみ開弁する。

次に、この実施の形態１に係る圧縮着火エンジンの動作について説明する。このエンジンは、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼を切り替えて駆動され、すなわち、低負荷及び中負荷の領域では圧縮着火燃焼を行い、高負荷の領域では火花点火燃焼を行う。

まず、圧縮着火燃焼時における動作を説明する。この圧縮着火燃焼時において、排気行程では、第２排気分岐路８ｂの途中に取り付けられた排気スロットル１５は開かれる。また、吸気行程では、排気スロットル１５と吸気スロットル１４とが共に開かれる。

排気行程において、第１排気バルブ１２が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開弁すると共に第２排気バルブ１３は閉弁しており、燃焼室１内で生じた高温の排気ガスが第１排気分岐路８ａのみを通って排気合流路７へと排出される。一方、吸気行程では、吸気スロットル１４が開かれた状態で２つの吸気バルブ１０及び１１が共に符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれると、空気及び燃料の混合気が新気として吸気分岐路５ａ及び５ｂを通って燃焼室１内へ流入する。さらに、吸気行程では、排気スロットル１５が開かれている一方、吸気行程中後半に第２排気バルブ１３が符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開弁するので、図１に点線で示されるように、排気行程で排気通路３に排出された高温の排気ガスが第２排気分岐路８ｂを通って燃焼室１内へ還流する。そして、この高温の排気ガスにより燃焼室１内の混合気が加熱され、この状態で圧縮着火が行われる。これにより、着火性の低い天然ガスなどを燃料として効率よく圧縮着火燃焼を行うことができる。なお、排気スロットル１５は、排気行程や吸気行程の他、圧縮行程や膨張行程においても、すなわち、圧縮着火燃焼時には全行程を通して常に開いているものとする。

ここで、上述の吸気行程中において、吸気スロットル１４の開度を小さくして吸気合流路４を狭め、これにより燃焼室１への新気の流入量を制限することが好ましい。このように吸気スロットル１４により新気の流入を制限すれば、その分排気ガスの還流量を増加させることができ、燃焼室１内の混合気を効率よく加熱することができる。また、燃焼室１への新気の流入を制限した状態では、第２排気バルブ１３が吸気行程中後半に開かれるまで燃焼室１内が負圧になるため、第２排気バルブ１３が開くと高温の排気ガスが一気に燃焼室１内へ流入し、その結果、断熱圧縮による温度上昇効果も加わり、燃焼室１内の混合気をさらに効率よく加熱することができる。

次に、火花点火燃焼時における動作を説明する。この火花点火燃焼時において、排気スロットル１５は常に閉じられる一方、吸気スロットル１４は吸気行程において適当な開度で開かれる。排気行程では、第１排気バルブ１２が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開かれると、圧縮着火燃焼時の排気行程と同様に、燃焼室１内で生じた高温の排気ガスが第１排気分岐路８ａを通って排気合流路７へ排出される。また、吸気行程においても、吸気スロットル１４が開かれた状態で２つの吸気バルブ１０及び１１が共に符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれると、混合気が新気として吸気分岐路５ａ及び５ｂを通って２つの吸気口６ａ及び６ｂから燃焼室１内へ流入する。

ところで、第２排気バルブ１３はカムにより開閉タイミングが決定されているため、前述した圧縮着火燃焼時と同様に、火花点火燃焼時においても吸気行程の後半に符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開弁してしまう。しかし、本実施の形態では、火花点火燃焼時の吸気行程中は排気スロットル１５が閉じられるため、第２排気バルブ１３は開弁していても、第２排気分岐路８ｂは排気スロットル１５により遮断される。よって、排気行程において第１排気口９ａから排気合流路７に排出された高温の排気ガスは、火花点火燃焼時は第２排気分岐路８ｂを通って燃焼室１内へ還流することが防止される。そして、上述のように２つの吸気口６ａ及び６ｂから燃焼室１内に流入した混合気が充分に圧縮され、さらに図示しない点火プラグにより点火されて火花点火燃焼が行われる。このように燃焼室１内に排気ガスが還流していない状態で火花点火燃焼を行えるため、高温の排気ガスによりノッキングの発生が促進されることが防止され、これにより安定した火花点火燃焼を行うことが可能となる。

以上のように、２つの吸気バルブ１０及び１１と第１排気バルブ１２と第２排気バルブ１３とを、圧縮着火燃焼時も火花点火燃焼時もカムにより一定の開閉動作で駆動すると共に、排気スロットル１５を火花点火燃焼時の吸気行程中のみ閉じることにより、圧縮着火燃焼時には燃焼室内に高温の排気ガスを還流し且つ火花点火燃焼時には排気ガスを還流しないように容易に制御することができる。
また、カムを介してバルブを開閉駆動することは、既存のエンジンに多く使用されているため、大幅な改造をすることなく、既存のカム式のエンジンを流用することができる。
加えて、本発明の圧縮着火エンジンでは、従来のようにコストが非常に高い電磁バルブ式の駆動装置を使用しないため、エンジン全体のコストを低く抑えられる。

なお、上述の実施の形態１では、排気スロットル１５は、火花点火燃焼時には常に閉じていたが、これに代えて、火花点火燃焼時の吸気行程のみ閉じるようにしてもよく、あるいは、少なくとも第２排気バルブ１３が開かれる間、すなわち、符号Ｆの間だけ常に閉じた状態に維持するようにしてもよい。

また、第２排気バルブ１３は符号Ｆのようなタイミング・リフト量で吸気行程中後半に開く代わりに、図３（ａ）に示されるように吸気行程中前半で開いたり、図３（ｂ）に示されるように排気行程から吸気行程にまたがって開くなど、少なくとも吸気行程中に開く期間があれば、どのようなタイミング・リフト量であってもよい。なお、前述のように第２排気バルブ１３が排気行程から吸気行程にまたがって開く場合には、排気行程において第１排気バルブ１２だけでなく第２排気バルブ１３も排気に寄与することができるため、排気ガスの排出を効率よく行うことができる。

さらに、上述の実施の形態では、第２排気口９ｂが第１排気口９ａより小さい径を有するが、この代わりに、これら第１排気口９ａと及び第２排気口９ｂが互いにほぼ同じ径を有してもよい。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２を説明する。この実施の形態２の圧縮着火エンジンは、図１に示した実施の形態１の圧縮着火エンジンにおいて、第２排気バルブ１３を吸気行程の後半に加えて、排気行程中も第１排気バルブ１２と同様に開くようにしたものである。すなわち、図２において、排気行程では第１排気バルブ１２と共に第２排気バルブ１３が符号Ｅのようなタイミング・リフト量で開かれ、吸気行程では実施の形態１と同様に、第２排気バルブ１３のみが符号Ｆのようなタイミング・リフト量で開かれる。第２排気バルブ１３のこのような開閉動作は、突起を二つ有する２段カムを第２排気バルブ１３用のカムとして用いることで実現される。また、本実施の形態では、火花点火燃焼時の排気行程中には第２排気バルブ１３に排気機能を発揮させ、且つ、火花点火燃焼時の吸気行程中には第２排気バルブ１３が開弁していても排気ガスの還流は無効化させる必要があることから、排気スロットル１５は火花点火燃焼時の吸気行程中のみ閉じるようにしている。

以上のような構成によれば、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態２では、排気行程において第１排気バルブ１２だけでなく第２排気バルブ１３も開くことから、これら第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３の２つのバルブを使用して排気することができ、これにより排気ガスの排出を効率よく行うことができる。

なお、上述の実施の形態２において、第２排気バルブ１３は、排気行程中に符号Ｅのようなタイミング・バルブ量で開かれると共に吸気行程中後半に符号Ｆのようなタイミング・バルブ量で開かれるようになっていたが、その代わりに、図３（ａ）に示されるように、排気行程中に符号Ｅのようなタイミング・バルブ量で開かれると共に吸気行程中前半に符号Ｆのようなタイミング・バルブ量で開かれてもよい。さらに、第２排気バルブ１３を図４に示される符号Ｆのようなタイミング・バルブ量で開くようにしてもよい。なお、図４では、第２排気バルブ１３の開閉動作を優先して説明するため、第１排気バルブ１２や２つの吸気バルブ１０及び１１のタイミング・リフト量は図示省略している。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３を図５により説明する。この実施の形態３の圧縮着火エンジンは、上述した実施の形態において各燃焼室毎に設けられていた排気スロットルを、排気系として一つだけ設ける態様で実施するものである。図５に示されるように、直列４気筒の圧縮着火エンジンにおいて、４つの燃焼室２１には、吸気通路２２及び排気通路２４が接続されている。吸気通路２２は、各気筒の燃焼室２１毎に２つ設けられる吸気分岐路２２ａと、その上流で吸気分岐路２２ａの合計８本分がまとめられる吸気集合路２２ｂとを備えている。吸気スロットル２３は、かかる吸気集合路２２ｂに設けられている。

一方、排気通路２４は、図１の第１排気分岐路８ａに相当する４本の第１排気分岐路２４ａと、これら４本の第１排気分岐路２４ａを下流でまとめる第１排気合流路２４ｂと、図１の第２排気分岐路８ｂに相当する４本の第２排気分岐路２４ｃと、これら４本の第２排気分岐路２４ｃを下流でまとめる第２排気合流路２４ｄと、第１及び第２排気合流路２４ｂ及び２４ｄをその下流でまとめる排気集合路２５とを備える。排気スロットル２６は、各燃焼室に共通のものとして、第２排気合流路２４ｄに一つだけ設けられている。

かかる圧縮着火エンジンにおいては、各燃焼室２１に設けられた２つの吸気バルブ、第１排気バルブ及び第２排気バルブは、実施の形態１又は２における動作と同様に開閉制御される。また、排気スロットル２６も上記の実施の形態と同様に、火花点火燃焼の少なくとも吸気行程において第２排気バルブが開弁している間だけは閉じられる。したがって、各燃焼室毎に排気スロットルを設けなくても、上記と同様の効果を奏することが可能となっている。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４を図６によって説明する。この実施の形態４の圧縮着火エンジンは、上記の実施の形態１において、排気バルブを二つではなく一つとしたものである。燃焼室３０には１つの排気口３２が形成されており、この排気口３２に２段カムを介して開閉駆動される排気手段としての排気バルブ３１が配置されている。また、この排気口３２が排気通路３３につながっており、排気通路３３はその途中に排気スロットル３４を有している。排気スロットル３４は、火花点火燃焼時において少なくとも吸気行程中に排気バルブ３１が開弁する間だけ閉じられるようになっている。
ここで、排気バルブ３１は図７に符号Ｇ１及びＧ２で示されるようなタイミング・リフト量で開かれる、すなわち、排気行程中に開いた排気バルブ３１は完全に閉じることなく微小のリフト量を保ってそのまま吸気行程中前半に開かれる。また、吸気行程中には２つの吸気バルブ１０及び１１が実施の形態１と同様に符号Ｄのようなタイミング・リフト量で開かれる。なお、これらの開閉制御は圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼にかかわらず一定になるように行われる。

圧縮点火燃焼時において、排気行程中には、排気スロットル３４が開かれ、吸気行程中には、排気スロットル３４が開かれたまま維持され、吸気スロットル１４も適当な要求開度で開かれる。これにより、排気行程中には、排気バルブ３１が開いて排気ガスが排気通路３３へと排出され、また、吸気行程中には、２つの吸気バルブ１０及び１１が開いて新気が流入すると共に吸気行程中前半に排気バルブ３１が開いて燃焼室３０内に高温の排気ガスが還流して内部ＥＧＲが行われる。

また、火花点火燃焼時において、排気行程中には、排気スロットル３４が開かれ、吸気行程中には、排気スロットル３４は閉じられる一方、吸気スロットル１４が適当な要求開度で開かれる。よって、排気行程中に排気バルブ３１が開いて排気ガスが排気通路３３へと排出され、また、吸気行程中には、２つの吸気バルブ１０及び１１が開いて新気が流入するが、このとき排気スロットル３４が閉じられているため、排気バルブ３１が吸気行程中前半に開いても燃焼室３０内への高温の排気ガスが還流することが防止される。
従って、このような構成にしても、カム式のエンジンにおいてコストを低く抑えながら簡単な制御により圧縮着火燃焼時のみに内部ＥＧＲを行うことができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
なお、排気スロットルはできる限り排気バルブに近い位置に設置する。そのようにすることによって、排気バルブと排気スロットルとの間に残留した排気ガスが還流してしまうことを低減することができる。

なお、本実施の形態４のように、排気バルブ３１を微小のリフト量を保ったまま吸気行程中前半に開く代わりに、排気行程の終了で一度完全に閉じた後に、吸気行程中の後半など吸気行程中のどこかで再び開くようにしてもよい。
また、本実施の形態４に関しても、実施の形態３のように排気スロットルを排気系として一つだけ用意するようにしてもよい。
さらに、本実施の形態４のように２段カムを利用して排気・吸気行程の双方に開く排気バルブを、各燃焼室に２つずつ設けるようにしてもよい。
また、本実施の形態４では、全ての排気分岐路を一つの排気合流路に合流させ、その一つの排気合流路に一つの排気スロットルが設けられていたが、必ずしもそれに限定されず、例えば、Ｖ型エンジンにおいて、複数の排気分岐路を二つの排気合流路に合流させ、各排気合流路に一つずつの排気スロットル、すなわち合計二つの排気スロットルを配置するようにしてもよい。すなわち、少なくとも二つ以上の排気分岐路を一つの排気合流路に合流させ、その排気合流路に一つの排気スロットルを配置するようにすれば、排気スロットルの数を減らすことができる。

実施の形態５．
次に、図８をもとに本発明の実施の形態５を説明する。なお、図８は、理解を助けるために図１の態様に対し排気経路部分のみ立体的に図示している。本実施の形態に係る圧縮着火エンジンは、排気通路及び排気ガス還流防止手段の構成が上述した実施の形態と異なるものであり、他の部分は上述した実施の形態１に係る構成と同様であるものとする。燃焼室１の上部には、上記実施の形態と同様に第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂが設けられている。これら第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂには排気通路１０３が接続される。排気通路１０３は、第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂの双方を包含するように両排気口に接続される単一管状の連通室１０８と、その下流に設けられている排気本通路１０７とを備えている。連通室１０８内には、高さの低い仕切り１５１が立設されている。仕切り１５１は、第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂが形成されている壁部であって連通室１０８の底面でもある底壁部１５３において、それら排気口９ａ及び９ｂの間の部分から立ち上がっている。また、連通室１０８には、シャッターバルブ１１５が設けられている。シャッターバルブ１１５は、仕切り１５１と当接又は離隔するようにスライド可能に設けられる。シャッターバルブ１１５が閉弁状態すなわち仕切り１５１と当接状態にある場合には、連通室１０８内が燃焼室１を介さずには連通不能な第１排気室１０８ａと第２排気室１０８ｂとに区分けされる。すなわち、シャッターバルブ１１５によって第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂが相互に非連通状態となるように連通室１０８内が区切られる。シャッターバルブ１１５の閉弁状態では、第１排気室１０８ａは排気本通路１０７と連通する部屋となり、第２排気室１０８ｂは排気本通路１０７とは隔離した部屋となる。

次に、このような構成の圧縮着火エンジンの動作について説明する。シャッターバルブ１１５の開閉タイミングは上記実施の形態１の排気スロットル１５と同様であり、また、第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３の開閉タイミングも実施の形態１と同様である。従って、圧縮着火燃焼時における排気行程では、第１排気バルブ１２が開弁されると共に第２排気バルブ１３が閉弁され、且つ、シャッターバルブ１１５は開弁される。これによって、燃焼室１からの排気ガスは、図中一点鎖線で示されるように、第１排気口９ａ、連通室１０８及び排気本通路１０７を介して排気される。一方、圧縮着火燃焼時の吸気行程では、第１排気バルブ１２が閉弁されると共に第２排気バルブ１３が開弁され、且つ、シャッターバルブ１１５は開弁される。これによって、排気行程中に連通室１０８に排気され第１排気口９ａ近傍に存在する排気ガスは、図中実線で示されるように、シャッターバルブ１１５及び仕切り１５１の間を通って、第２排気口９ｂから燃焼室１内に還流される。

また、火花点火燃焼時においても、第１排気バルブ１２及び第２排気バルブ１３は圧縮着火燃焼時の場合と同様な開閉動作を行う。しかしながら、シャッターバルブ１１５が常に閉じられた状態で維持されるので、排気行程中に連通室１０８に排気された排気ガスが、開放されている第２排気口９ｂから燃焼室１内に還流されてしまうことを防止することができる。このように本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、圧縮着火燃焼時の排気ガスの還流は、排気行程で排気され連通室１０８に内に存在している排気ガスを、同じ連通室１０８から第２排気口９ｂを介して単純に燃焼室１へ吸い込むだけに過ぎないため、実施の形態１のように第１排気分岐路８ａ及び第２排気分岐路８ｂの叉部を回り込ませて吸い込む態様と比べて、より短距離且つ流路抵抗の少ない態様で排気ガスの還流が行える。よって、より効率の良いＥＧＲを実現できる。

なお、本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様な改変を施すことができる。すなわち、シャッターバルブ１１５を火花点火燃焼時の吸気行程のみ閉じるようにしてもよく、あるいは、少なくとも第２排気バルブ１３が開かれる間だけ常に閉じた状態に維持するようにしてもよい。

また、第２排気バルブ１３の動作を図３（ａ）又は（ｂ）に示されるように設定したり、第２排気口９ｂと第１排気口９ａとの径の関係を改変したりできる点も、実施の形態１の場合と同様である。

また、シャッターバルブ１１５による連通室１０８内の区切り態様は次のようにすることもできる。図９に示されるように、連通室１０８内に、単体で当該連通室１０８内を第１排気室１０８ａと第２排気室１０８ｂとに区分けできる仕切り２５１を設ける。仕切り２５１は、第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂの間から延びており、その周縁が連通室１０８の底面や側面に接続されている。また、仕切り２５１における下部すなわち第１排気口９ａ及び第２排気口９ｂの近傍部分には、連通口２５５が穿設されている。さらに、この連通口２５５を選択的に開放及び閉塞できるように、連通室１０８に対してシャッターバルブ１１５を設ける。このような構成においても、圧縮着火燃焼の吸気行程時に連通口２５５を介して排気ガスの還流を行うことができ、図８の構成と同様な作用を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な改変を施して実施することができる。例えば、上述の実施の形態における吸気スロットルは、蝶型のバルブの他に、実施の形態５に示したようなシャッターバルブ等を使用することもできる。また、必要に応じて、排気スロットルやシャッターバルブの開度を変えることで、排気ガス還流量を調整するようにしてもよい。
また、圧縮着火燃焼と火花着火燃焼とを切り替えるタイミングは、エンジンの負荷を基準とすることには限定されない。さらに、上記実施の形態では、予混合圧縮着火燃焼と火花着火燃焼とを切り替える態様として説明されているが、本発明はこれに限定されず、予混合タイプではない単なる圧縮着火燃焼（燃焼室内に配置された燃料噴射弁から、ピストンにより圧縮された気体中に燃料を直接噴射する点火方式）と火花着火燃焼とを切り替える態様に適用することも可能である。
さらに、上述の実施の形態では、燃料として天然ガスを使用していたが、その代わりに、都市ガス及びプロパンガス等のガス燃料をそのまま使用することができる。また、本発明の圧縮着火内燃機関は、ガソリンや軽油などを燃料として実施してもよい。さらに、エンジンの気筒の数は４気筒に限られず、６気筒や８気筒でもよく、その形式も直列型だけでなくＶ型や水平対向型などでもよく、特に限定されるものではない。また、各気筒に関する吸気通路の数や吸気バルブの数も上記の実施の形態に限定されるものではない。

この発明の実施の形態１に係る圧縮着火エンジンの燃焼室近傍を平面的にみた模式図である。実施の形態１におけるバルブの開閉動作を示す図である。実施の形態１におけるバルブの開閉動作の変形例を示す図である。実施の形態２におけるバルブの開閉動作を示す図である。実施の形態３における吸気・排気の系統を示す模式図である。実施の形態４における燃焼室近傍を平面的にみた模式図である。実施の形態４におけるバルブの開閉動作を示す図である。実施の形態５における図１とほぼ同態様の図である。実施の形態５に関し、図８の構成と異なる連通室の仕切り態様を示す図である。従来の圧縮着火エンジンにおけるバルブの開閉動作を示す図である。

符号の説明

１，２１，３０燃焼室、２，２２吸気通路、３，２４，３３，１０３排気通路、１０，１１吸気バルブ、１２第１排気バルブ、１３第２排気バルブ、１４，２３吸気スロットル、１５，２６，３４排気スロットル、３１排気バルブ、１０８連通室、１１５シャッターバルブ。

Claims

圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替えて行う圧縮着火内燃機関において、
吸気通路及び排気通路が連通される燃焼室と、
吸気通路中に設けられ、吸気通路の開閉を行う吸気手段と、
排気通路中に設けられ、カムにより駆動されて排気通路の開閉を行うと共に少なくとも圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時のそれぞれの排気行程中及び吸気行程中に排気通路を開く排気手段と、
排気通路中に設けられ、少なくとも圧縮着火燃焼時の吸気行程中に開弁することで燃焼室への排気ガスの還流を行うと共に、火花点火燃焼時の吸気行程中の少なくとも前記排気手段が開いている間は閉弁することで、燃焼室への排気ガスの還流を防止する排気ガス還流防止手段と
を備えることを特徴とする圧縮着火内燃機関。
前記排気通路は、燃焼室毎に設けられる合流路と、合流路の上流で分岐して燃焼室に連通する第１及び第２排気分岐路とを備え、
前記排気手段は、第１排気分岐路に設けられ、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時において、排気行程のみ開く第１排気バルブと、第２排気分岐路に設けられ、少なくとも吸気行程に開く第２排気バルブとを含み、
前記排気ガス還流防止手段は、第２排気分岐路に設けられて火花点火燃焼時には第２排気分岐路を常に遮断すると共に、圧縮着火燃焼時には第２排気分岐路を常に開通する排気スロットルである、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
前記排気手段は、２段カムを介して排気行程及び吸気行程の両方で開く各燃焼室毎に設けられた単一の排気バルブを含み、
前記排気ガス還流防止手段は、排気通路に設けられて、排気行程中に開いて排気を行うと共に、火花点火燃焼時における吸気行程の少なくとも前記排気バルブが開弁する間、排気通路を遮断する排気スロットルである、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
前記燃焼室は複数設けられており、
前記排気手段は、各燃焼室毎に設けられ少なくとも吸気行程に開く複数の排気バルブを含み、
前記排気通路は、少なくとも吸気行程に開く前記排気バルブによって流路が開閉される複数の排気分岐路と、これら排気分岐路を一つにまとめる排気合流路とを備え、
前記排気ガス還流防止手段は、排気合流路に設けられて火花点火燃焼時における吸気行程の少なくとも前記排気バルブが開弁する間、排気合流路を遮断する排気スロットルである、
ことを特徴とする請求項１又は３に記載の圧縮着火内燃機関。
前記燃焼室及び前記排気通路は第１排気口及び第２排気口によって連通されており、
前記排気通路は、その上流端部に、第１排気口及び第２排気口の双方を包含するように両排気口に接続される単一管状の連通室を有し、
前記排気手段は、圧縮着火燃焼時及び火花点火燃焼時において、排気行程のみ前記第１排気口を開く第１排気バルブと、少なくとも吸気行程に前記第２排気口を開く第２排気バルブとを有し、
前記排気ガス還流防止手段は、閉弁時に第１排気口及び第２排気口が相互に非連通状態となるように前記連通室内を区切るシャッターバルブを有し、該シャッターバルブは、圧縮着火燃焼時の少なくとも吸気行程に第１排気口及び第２排気口が相互に連通状態となるように開弁する、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
前記燃焼室への新気の流入を制限する吸気制御手段をさらに備え、圧縮着火燃焼時の吸気行程中に前記吸気制御手段により新気の流入量を制限することにより前記排気手段からの排気ガスの還流を増やすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧縮着火内燃機関。