JPH11264319A - 内燃機関の排気制御装置 - Google Patents

内燃機関の排気制御装置

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JPH11264319A
JPH11264319A JP10070759A JP7075998A JPH11264319A JP H11264319 A JPH11264319 A JP H11264319A JP 10070759 A JP10070759 A JP 10070759A JP 7075998 A JP7075998 A JP 7075998A JP H11264319 A JPH11264319 A JP H11264319A
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intake
valve
combustion chamber
opening
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口 浩 一 山
Tomonori Urushibara
原 友 則 漆
Koji Hiratani
谷 康 治 平
Toru Noda
田 徹 野
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガソリンエンジンにおいて圧縮自己着火燃焼
を行なわせるにあたり、この自己着火燃焼が安定して得
られるようにして、HC,NOx等の排出量の低減を図
る。 【選択手段】 火花点火を行なうための点火プラグ22
と、燃焼室Aに連通する第1及び第2吸気ポート14,
15の開口部14a,15aを開閉する第1及び第2吸
気弁18,19と、燃焼室Aに連通する第1及び第2排
気ポート16,17の開口部16a,17aを開閉する
第1及び第2排気弁20,21とを備え、第2排気弁2
1を排気行程から吸気行程に亘る所定領域において開弁
して第2排気ポート17内にある排気の一部を燃焼室A
内へ逆流させるように制御し、負荷に応じて自己着火運
転と点火プラグ22による火花点火運転とを選択的に切
り替えて運転させる内燃機関の排気制御装置において、
第2排気弁21の開弁により燃焼室A内に逆流する逆流
排気Ginが燃焼室Aの外周方向に沿って流入するよう
に、第2排気ポート17の開口部17a側領域を燃焼室
Aの外周方向に沿って伸長するように形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、内燃機関の燃焼室内に排気を導
入する内燃機関の排気制御装置に関し、特に、排気ポー
トから燃焼室内に導入された逆流排気を利用した自己着
火運転と点火プラグを利用した火花点火運転とを機関負
荷に応じて切り替えて行なわせる内燃機関の排気制御装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】排出ガス清浄化の一環として、内燃機関
例えば火花点火機関(以下、ガソリンエンジンと称す)
に点火プラグによる火花点火運転だけでなく圧縮による
自己着火運転をも行なわせる手法が開発検討されてい
る。この手法のガソリンエンジンによれば、排出ガス中
のすす及びNOxの発生量が大幅に低減されるものの、
自己着火の時期が混合気の空燃比、混合気の温度等に依
存するため、実際に使用される広範囲な負荷領域におい
て、望ましい時期に自己着火を行なわせることは困難で
あることが知られている。
【0003】上記自己着火の時期を制御して運転領域の
拡大を図る一手法として、例えば特開平9−28752
8号公報に示されるような技術がある。この技術は、排
気ポートから排出された排気を吸気ポート側へ還流し、
この還流排気(外部EGRガス)を燃焼室内へ導入して
空燃比を制御し、又、外部EGRガスを冷却して混合気
の温度を制御することで、良好な着火が得られる運転領
域を拡大しようとするものである。
【0004】また、特開平5−59952号公報に示さ
れるように、吸気ポートの近傍に排気還流通路を設けて
外部EGRガスを燃焼室内に導入することで、燃焼室内
での空燃比を制御し、良好な燃焼状態を得ようとする技
術がある。
【0005】さらに、特開平5−86992号公報、特
開平9−4521号公報に示されるように、副排気ポー
トを設けて排気の一部を燃焼室内へ逆流、すなわち、逆
流排気(内部EGRガス)を燃焼室内へ導入すること
で、燃焼の改善を図ろうとする技術がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如き従来技術においては、以下のような問題点があっ
た。すなわち、上記特開平9−287528号公報及び
特開平5−59952号公報に開示の技術では、排気ポ
ートから排出された排気を還流して、燃焼室内に導入
し、あるいは、途中で温度を調節した後新気に均質的に
混合して燃焼室内に導入するため、運転モードが切り替
わるような場合の過渡時の応答性が悪く、自己着火の時
期を制御するのが困難であるという問題があった。
【0007】また、上記特開平5−86992号公報及
び特開平9−4521号公報に開示の技術では、排気ポ
ートから排気を逆流させて燃焼室内に導入するものの、
この逆流排気と混合気との分布を安定した所定の例えば
成層状態に制御することができず、その結果、安定して
所望の燃焼状態を得るのが困難であるという問題があっ
た。
【0008】本発明は、上記のような従来技術の問題点
に鑑みて成されたものであり、その目的とするところ
は、自己着火の時期を容易に制御することができ、安定
して良好な燃焼状態が得られるようにしてHC、NOx
等の排出量の低減を図ることのできる内燃機関の排気制
御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る内燃機関の
排気制御装置は、請求項1に記載しているように、燃焼
室に連通する吸気ポートの開口部を開閉する2つ以上の
吸気弁と、燃焼室に連通する排気ポートの開口部を開閉
する2つ以上の排気弁とを備え、少なくとも1つの排気
弁を排気行程から吸気行程に亘る所定領域において開弁
して排気ポート内にある排気の一部を燃焼室内へ逆流さ
せるように制御し、負荷に応じて自己着火運転と点火プ
ラグによる火花点火運転とを選択的に切り替えて運転さ
せる内燃機関の排気制御装置であって、前記少なくとも
1つの排気弁の開弁により燃焼室内に逆流する逆流排気
を燃焼室の外周方向に沿って流入するように指向させる
逆流排気指向手段を設けた、構成となっている。
【0010】また、請求項2に記載しているように、請
求項1に係る内燃機関の排気制御装置において、前記逆
流排気指向手段として、前記少なくとも1つの排気弁に
より開閉される開口部側領域を燃焼室の外周方向に沿っ
て伸長するように形成した排気ポートを採用する、構成
となっている。
【0011】また、請求項3に記載しているように、請
求項1に係る内燃機関の排気制御装置において、前記逆
流排気指向手段として、前記少なくとも1つの排気弁の
傘部に設けられて逆流排気が燃焼室の外周方向以外へ流
れるのを阻止する壁面を形成するシュラウドを採用す
る、構成となっている。
【0012】また、請求項4に記載しているように、請
求項1に係る内燃機関の排気制御装置において、前記逆
流排気指向手段として、前記少なくとも1つの排気弁に
より開閉される開口部側領域を燃焼室の外周方向に沿っ
て伸長するように形成した排気ポート及び前記少なくと
も1つの排気弁の傘部に設けられて逆流排気が燃焼室の
外周方向以外へ流れるのを阻止する壁面を形成するシュ
ラウドを採用する、構成となっている。
【0013】また、請求項5に記載しているように、請
求項1ないし4に係る内燃機関の排気制御装置におい
て、前記排気弁を駆動する排気用カムシャフトを有し、
前記排気用カムシャフトが、前記排気弁の全てを排気行
程において開弁駆動する第1排気弁用カムの他に、前記
少なくとも1つの排気弁を吸気行程においても開弁駆動
する第2排気弁用カムを有する、構成となっている。
【0014】また、請求項6に記載しているように、請
求項1ないし4に係る内燃機関の排気制御装置におい
て、前記吸気弁を開弁駆動する吸気弁用カムが形成され
た吸気用カムシャフトを有し、前記少なくとも1つの排
気弁が、前記吸気弁用カムにより、吸気行程においても
開弁駆動される、構成となっている。
【0015】また、請求項7に記載しているように、請
求項1ないし6に係る内燃機関の排気制御装置におい
て、前記吸気ポートが、燃焼室への開口部から上流側へ
向かう少なくとも所定の領域において、2つ以上の独立
した独立吸気ポートとして形成されており、前記独立吸
気ポートの少なくとも1つに対して、その通路を開閉す
る吸気通路開閉弁を設けた、構成となっている。
【0016】また、請求項8に記載しているように、請
求項1ないし7に係る内燃機関の排気制御装置におい
て、前記排気ポートから排出された排気を前記吸気ポー
ト側に還流する排気還流通路と、負荷に応じて前記排気
還流通路を開閉し還流排気の流量を制御する還流排気制
御弁とを設けた、構成となっている。
【0017】さらに、請求項9に記載しているように、
請求項8に係る内燃機関の排気制御装置において、前記
排気還流通路を流れる還流排気の温度を調節する温度調
節手段を設けた、構成となっている。
【0018】
【発明の効果】本発明の請求項1に係る内燃機関の排気
制御装置によれば、排気ポートから燃焼室内に逆流する
逆流排気を燃焼室の外周方向に沿って流入するように指
向させる逆流排気指向手段を設けたことにより、吸気行
程において、燃焼室内に流入する高温の逆流排気は主と
して燃焼室の外周部領域に分布し、燃焼室の中心部領域
には主として燃料と新気(空気)との混合気が分布する
状態、すなわち、環状の成層分布状態が形成され、続く
圧縮行程では、この成層分布状態が維持されたまま圧縮
が行なわれる。そして、この断熱圧縮作用によって、燃
焼室内の外周部領域に分布する逆流排気の温度が、中心
部領域に分布する混合気の発火温度を超える温度まで上
昇し、この逆流排気と混合気との界面を起点として、混
合気の圧縮自己着火燃焼が生じることになる。
【0019】すなわち、燃焼室の外周部領域に高温の逆
流排気が分布した成層分布状態を安定して形成すること
で、従来の如くデッドボリューム部領域での未燃領域の
発生を防止し、より完全に近い燃焼を行なわせることが
でき、加えて、高負荷時には、逆流排気の導入量を減少
させて圧縮行程での混合気の温度を低下させ、一方、低
負荷時には、逆流排気の導入量を増加させて圧縮行程で
の混合気の温度を上昇させることにより、上記良好な燃
焼が得られる圧縮自己着火燃焼運転領域を拡大すること
ができ、これによって、NOx、HC等を大幅に低減す
ることができ、又、排気ポートからの逆流排気を利用す
ることで良好な過渡応答性を得ることができる。
【0020】本発明の請求項2に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、排気ポートからの逆流排気を燃焼室の
外周部に向けて指向させる逆流排気指向手段として、排
気ポートの少なくとも開口部側領域を燃焼室の外周方向
に沿わせるように形成したものを採用したことから、簡
略な構造により、逆流排気を燃焼室の外周部領域に確実
に偏在させて成層状に分布させることができ、これによ
り、安定した圧縮自己着火燃焼を生じさせることができ
る。
【0021】本発明の請求項3に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、排気ポートからの逆流排気を燃焼室の
外周部に向けて指向させる逆流排気指向手段として、排
気弁の傘部に設けたシュラウドを採用したことから、構
造の簡略及び安定した圧縮着火を達成できるのに加え
て、排気ポートを形成するシリンダヘッド等の既存の部
品を流量することができ、製品のコストを低減させるこ
とができる。
【0022】本発明の請求項4に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、排気ポートからの逆流排気を燃焼室の
外周部に向けて指向させる逆流排気指向手段として、排
気ポートの少なくとも開口部側領域を燃焼室の外周方向
に沿わせるように形成したもの及び排気弁の傘部に設け
たシュラウドを採用したことから、簡略な構造により、
逆流排気を燃焼室の外周部領域により一層確実に偏在さ
せて成層状に分布させることができ、これにより、より
一層安定した圧縮自己着火燃焼を生じさせることができ
る。
【0023】本発明の請求項5に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、逆流排気を生じさせるべく排気弁を開
弁駆動する駆動手段として、排気行程で作動するカム
(第1排気弁用カム)を有する排気用カムシャフトに吸
気行程で作動する専用のカム(第2排気弁用カム)を設
け、この専用のカムにより駆動させる構成を採用したこ
とから、別個に新たなカムシャフト等を設ける必要がな
い。従って、構造上の複雑化等を招くことなく、所望の
タイミングで排気ポートから燃焼室内への排気の逆流動
作を行なわせることができる。
【0024】本発明の請求項6に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、逆流排気を生じさせるべく排気弁を開
弁駆動する駆動手段として、吸気弁を開弁駆動するため
に設けられた吸気用カムシャフトの吸気弁用カムを用い
て排気弁を開弁駆動する構成を採用したことから、吸気
用カムから排気弁までの連動手段を設けるだけで別個に
新たなカムシャフト等を設ける必要はない。従って、構
造上の複雑化を招くことなく、吸気行程と確実に同期さ
せて、所望のタインミングで排気ポートから燃焼室内へ
の排気の逆流動作を行なわせることができる。
【0025】本発明の請求項7に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、吸気ポートを2つ以上の独立した独立
吸気ポートとして形成し、この独立吸気ポートの少なく
とも1つに吸気通路開閉弁を設ける構成を採用したこと
から、吸気行程においてこの吸気通路開閉弁を閉弁させ
て他の独立吸気ポートから燃焼室内に新気を流入させる
ことにより、この新気を燃焼室の外周方向に沿うスワー
ル流とすることができる。従って、排気ポートから導入
される逆流排気は、このスワール流の影響を受けて、燃
焼室の外周部領域に偏在して分布させられることにな
り、これにより、安定した圧縮自己着火燃焼を生じさせ
ることができる。
【0026】本発明の請求項8に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、排気ポートからの逆流排気だけでな
く、排気ポートから排出された排気を吸気ポート側へ還
流した還流排気をも燃焼室へ導入する構成を採用したこ
とから、混合気の燃焼温度等を緻密にコントロールする
ことができ、すす,NOx等の排出量を一層低減させる
ことができる。
【0027】本発明の請求項9に係る内燃機関の排気制
御装置によれば、排気ポートからの逆流排気だけでな
く、排気ポートから排出された排気を吸気ポート側へ還
流した還流排気をも燃焼室へ導入すると共に、この還流
排気の温度を調節できる構成を採用したことから、混合
気の燃焼温度等をより一層緻密にコントロールすること
ができ、すす,NOx等の排出量をより一層大幅に低減
させることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面
に基づいて説明する。
【0029】図1及び図2は、本発明に係る排気制御装
置の一実施例を備えた内燃機関(ガソリンエンジン)の
概略構成を示す側面図及び平面図である。このガソリン
エンジン10では、図1及び図2に示すように、シリン
ダブロック11の円筒状ボア側面11aと、このボア側
面11aに沿って往復動するピストン12の冠面12a
と、シリンダヘッド13の下面13aとにより燃焼室A
が画定され、又、シリンダヘッド13には、この燃焼室
Aに新気あるいは新気と燃料との混合気等を導入するた
めの独立吸気ポートとしての第1吸気ポート14及び第
2吸気ポート15と、燃焼を終えた排気を燃焼室Aから
排出するための第1排気ポート16及び第2排気ポート
17とが形成されている。また、このシリンダヘッド1
3には、第1吸気ポート14の開口部14aを開閉する
第1吸気弁18と、第2吸気ポート15の開口部15a
を開閉する第2吸気弁19と、第1排気ポート16の開
口部16aを開閉する第1排気弁20と、第2排気ポー
ト17の開口部17aを開閉する第2排気弁21とが往
復動自在に取り付けられており、さらに、燃焼室Aを画
定する下面13aの略中央部には、火花点火を行なうた
めの点火プラグ22が取り付けられている。
【0030】上記第1吸気ポート14と第2吸気ポート
15とは、略同一の形状でかつ同一の傾斜角をなして燃
焼室Aに連通するように形成されており、第1吸気ポー
ト14の途中には燃料を噴射するための電磁式燃料噴射
弁23が取り付けられ、又、第2吸気ポート15の途中
には、駆動機構(不図示)によってエンジンの運転条件
に応じ開閉制御されてその通路を開閉する吸気通路開閉
弁としてのスワール制御弁24が回動自在に取り付けら
れている。尚、これら独立した第1吸気ポート14と第
2吸気ポート15との上流側は、お互いに合流して1つ
の吸気ポートとして形成されている。
【0031】上記第1排気ポート16と第2排気ポート
17とは、第1排気ポート16の方が大きい傾斜角をな
して燃焼室Aから斜め上方に略直線状に伸長するように
形成されており、一方、第2排気ポート17は、小さい
傾斜角をなして燃焼室Aから略水平方向に伸長するよう
に、かつその開口部17a近傍領域が燃焼室Aの外周方
向すなわち円筒状をなすボア側面11aの接線方向に伸
長するように途中を湾曲させた形状に形成されている。
【0032】上記のように第2排気ポート17を形成し
たことにより、その開口部17aを開閉する第2排気弁
21を吸気行程において開弁させると、この第2排気ポ
ート17内に残留する排気は、図3に示すように燃焼室
Aの外周方向に向かうように指向させられ、その後、図
2に示すようにボア側面11aに沿って外周部領域に偏
在するように流入することになる。
【0033】すなわち、上記のように形成された第2排
気ポート17は、燃焼室A内に逆流する逆流排気Gin
を燃焼室Aの外周方向に沿って流入するように指向させ
る逆流排気指向手段を構成している。
【0034】図4に示すように、上記第1吸気弁18及
び第2吸気弁19を開閉駆動する機構は、シリンダヘッ
ド13に固定された吸気側ロッカシャフト25に揺動自
在に取り付けられて第1吸気弁18及び第2吸気弁19
の上端部にそれぞれ当接する当接部27aを備えた吸気
側ロッカアーム27、シリンダヘッド13に回動自在に
支持されてこの吸気側ロッカアーム27に接触し、吸気
行程において第1及び第2吸気弁18,19を開弁する
ように作動する吸気弁用カム29aを備えた吸気用カム
シャフト29等により構成されており、又、第1排気弁
20及び第2排気弁21を開閉駆動する機構は、シリン
ダヘッド13に固定された排気側ロッカシャフト26に
揺動自在に取り付けられて第1排気弁20及び第2排気
弁21の上端部にそれぞれ当接する当接部28aを備え
た排気側ロッカアーム28、シリンダヘッド13に回動
自在に支持されてこの排気側ロッカアーム28に接触し
排気行程において第1及び第2排気弁20,21を開弁
するように作動する第1排気弁用カム30a及び吸気行
程において第2排気弁21を開弁するように作動する第
2排気弁用カム30bを備えた排気用カムシャフト30
等により構成されている。ここで、上記吸気用カムシャ
フト29の吸気弁用カム29aと、排気用カムシャフト
30の第1排気弁用カム30a及び第2排気弁用カム3
0bとは、クランク角に対して、図5に示すようなリフ
ト特性となるように形成されている。
【0035】次に、本実施例に係る排気制御装置の動作
について説明する。
【0036】先ず、エンジンが中負荷領域で運転される
場合は、排気行程において、第1排気弁用カム30aの
作動により第1排気弁20及び第2排気弁21が共に押
し下げられて開弁し、燃焼室A内の既燃ガスが第1排気
ポート16及び第2排気ポート17の両ポートを通って
排気として外部に向け排出される。続く吸気行程におい
ては、吸気弁用カム29aの作動により第1吸気弁18
及び第2吸気弁19が共に押し下げられて開弁し、か
つ、スワール制御弁24が閉弁して、燃料噴射弁23か
ら噴射された燃料と吸気系の上流から導入された新気
(空気)との混合気が第1吸気ポート14から燃焼室A
内に導入される。また、この吸気行程においては、前述
第1排気弁用カム30aの作動が終了すると同時に、第
2排気弁用カム30bの作動により第2排気弁21のみ
が再び押し下げられて開弁し、第2排気ポート17内に
残留する排気が燃焼室A内に逆流する。
【0037】この際、第2排気ポート17はその開口部
17a側領域の通路が燃焼室Aの外周方向すなわちボア
側面11aの接線方向に伸長するように形成されている
ことから、第2排気ポート17内に残留する排気はこの
ボア側面11aに沿うように逆流し、又、スワール制御
弁24によるスワール作用の影響も受けて、図6に示す
ように、逆流排気Ginは燃焼室Aの外周部領域に環状
に偏在し、又、混合気Gmixは燃焼室Aの略中央部領
域に集まるように成層分布状態を形成する。
【0038】続く圧縮行程においては、吸気弁用カム2
9a及び第2排気用カム30bの作動が終了して、第1
及び第2吸気弁18,19と第2吸気弁21とが閉弁
し、上記成層分布状態が維持されたままピストン12が
上昇して、混合気Gmix及び逆流排気Ginの圧縮が
行なわれる。この圧縮行程において、燃焼室A内の外周
部領域に分布する逆流排気Ginの温度は、断熱圧縮変
化によって燃焼室A内の略中央部に位置する混合気Gm
ixの発火温度を超える温度まで上昇し、この昇温した
逆流排気Ginと混合気Gmixとの界面を起点とし
て、混合気Gmixは自己着火燃焼を生じることにな
る。上記自己着火燃焼による爆発力により、続く膨張行
程ではピストン12が押し下げられて、再び排気行程へ
と戻り、上述した動作が繰り返されることになる。
【0039】尚、上記エンジンの中負荷運転領域におい
ては、スワール制御弁24を開弁状態にしたままで、第
1吸気ポート14だけでなく第2吸気ポート15からも
新気を導入する構成を採用することも可能である。
【0040】エンジンが高負荷領域で運転される場合
は、排気行程において、第1排気弁用カム30aの作動
により第1排気弁20及び第2排気弁21が共に押し下
げられて開弁し、燃焼室A内の既燃ガスが第1排気ポー
ト16及び第2排気ポート17を通って排気として外部
に向けて排出される。続く吸気行程においては、第1排
気弁用カム30aの作動が終了して第1及び第2排気弁
20,21が閉弁し、吸気弁用カム29aの作動により
第1吸気弁18及び第2吸気弁19が共に押し下げられ
て開弁すると共にスワール制御弁24も開弁し、燃焼噴
射弁23から噴射された燃料と吸気系の上流から導入さ
れた新気(空気)との混合気が第1吸気ポート14か
ら、又、新気(空気)のみが第2吸気ポート15からそ
れぞれ燃焼室A内に導入される。この吸気行程において
は、前述中負荷領域の場合のように第2排気弁21が第
2排気弁用カム30bにより開弁駆動されることはな
く、閉弁状態となっている。この第2排気弁21の閉弁
状態は、排気側ロッカアーム28に設けられた公知のカ
ム選択機構(不図示)を作動させて、第2排気弁用カム
30bの作動力を第2排気弁21に伝達しないようにす
ることにより維持される。そして、上記吸気行程により
導入された混合気は、燃焼室A内において均質に分布す
ることになる。
【0041】続く圧縮行程においては、吸気弁用カム2
9aの作動が終了して第1及び第2吸気弁18,19が
閉弁し、上記混合気の均質分布が維持されたままピスト
ン12が上昇してこの混合気を圧縮し、この圧縮行程の
終端近傍において点火プラグ22により火花点火が行な
われて、混合気は均質燃焼を生じることになる。上記火
花点火燃焼による爆発力により、続く膨張行程ではピス
トン12が押し下げられて、再び排気行程へと戻り、上
述した動作が繰り返されることになる。
【0042】尚、上記エンジンの高負荷運転領域におい
ては、吸気行程において第2排気弁21を閉弁状態に維
持して逆流排気Ginを燃焼室A内に導入しない構成と
したが、第2排気弁21の開弁量を調節して少量の逆流
排気を導入し、混合気に自己着火燃焼を行なわせる構成
を採用することも可能である。
【0043】エンジンが低負荷領域で運転される場合
は、基本的には前述中負荷運転領域の場合の作動と同様
であるが、吸気行程において、カム選択機構により第2
排気弁用カム30bの作動力が第1排気弁20にも作用
するようにして、この第1排気弁20をも開弁させて、
第2排気ポート17からだけでなく第1排気ポート16
からも逆流排気Ginを燃焼室Aに導入するように、す
なわち、中負荷運転時よりも多量の逆流排気を導入する
ようにして、圧縮行程における混合気の温度を上昇させ
て、より安定した自己着火燃焼が生じるように運転され
る。
【0044】以上のように運転されることにより、安定
した圧縮自己着火燃焼の運転領域が拡大され、又、吸気
系に還流する還流排気ではなく排気ポートから逆流させ
る逆流排気を導入することで、良好な過渡応答性が得ら
れると共に、従来のように吸気系の途中に設けられたス
ロットル弁によって例えば部分負荷時に吸入される新気
の量を制限する必要がないため、吸入負荷に起因するポ
ンピングロスが低減され、これにより、燃費が向上する
ことになる。
【0045】図7は、本発明に係る排気制御装置の一部
を構成する逆流排気指向手段の他の実施例を示すもので
ある。この実施例での逆流排気指向手段としては、前述
実施例のように燃焼室Aの外周方向に沿うように形成さ
れ排気ポートを採用するのではなく、燃焼室Aに対して
直線的に連通する第1排気ポート31及び第2排気ポー
ト32を採用し、この第2排気ポート32の開口部32
aを開閉するものとして、傘部33aに湾曲したシュラ
ウド34が設けられた第2排気弁33を採用するもので
ある。
【0046】すなわち、第2排気弁33の傘部33aに
設けられたシュラウド34は、第2排気ポート32から
の逆流排気が燃焼室A内の所定方向へ流れるのを阻止す
る、つまり、燃焼室Aの外周方向に沿う流れのみを許容
するように形成されている。尚、このシュラウド34付
きの第2排気弁34を採用する場合は、このシュラウド
34が燃焼室Aに対して常時所定の方向を向くように、
往復動に伴なう第2排気弁33の軸線まわりの回転を阻
止するような手段を設けるのが良い。
【0047】尚、逆流排気指向手段として、前述の燃焼
室Aの外周方向に沿うように形成された第2排気ポート
17と上記シュラウド34付きの第2排気弁33とを兼
ね備えた構成を採用することも可能である。
【0048】図8は、前述第1吸気弁18及び第2吸気
弁19と第1排気弁20及び第2排気弁21とを開閉駆
動する機構の他の実施例を示すものである。図8に示す
ように、第1吸気弁18及び第2吸気弁19を開閉駆動
する機構は、シリンダヘッド13に固定された吸気側ロ
ッカシャフト40に揺動自在に取り付けられて第1吸気
弁18及び第2吸気弁19の上端部にそれぞれ当接する
第1当接部42a及びこの第1当接部42aと反対側に
設けられて後述する吸気用カムシャフト44に当接する
第2当接部42bを備えた吸気側ロッカアーム42、シ
リンダヘッド13に回動自在に支持されてこの吸気側ロ
ッカアーム42の第2当接部42bに接触し吸気行程に
おいて第1及び第2吸気弁18,19を開弁するように
作動する吸気弁用カム44aを備えた吸気用カムシャフ
ト44等により構成されており、又、第1排気弁20及
び第2排気弁21を開閉駆動する機構は、シリンダヘッ
ド13に固定された第1排気側ロッカシャフト41に揺
動自在に取り付けられて第1排気弁20及び第2排気弁
21の上端部にそれぞれ当接する当接部43aを備えた
第1排気側ロッカアーム43、シリンダヘッド13に回
動自在に支持されてこの第1排気側ロッカアーム43に
接触し排気行程において第1及び第2排気弁20,21
を開弁するように作動する排気弁用カム45aを備えた
排気用カムシャフト45、シリンダヘッド13に固定さ
れた第2排気側ロッカシャフト46に揺動自在に取り付
けられて第2排気弁21の上端部に(運転モードによっ
ては第1排気弁20の上端部にも)当接する第1当接部
47a及びこの第1当接部47aと反対側に設けられて
前述吸気用カムシャフト44に当接する第2当接部47
bを備えた第2排気側ロッカアーム47等により構成さ
れている。尚、上記第2排気側ロッカアーム47には、
吸気弁用カム44aによる作動力を第2排気弁21を伝
達しないための、又、第2排気弁21だけでなく第1排
気弁20にも伝達するための公知のカム選択機構(不図
示)が設けられている。
【0049】すなわち、排気行程においては、排気用カ
ムシャフト45の排気弁用カム45aの作動により、第
1排気側ロッカアーム43が下向き(図8中反時計回わ
り)に回動して、第1排気弁20及び第2排気弁21を
開弁駆動し、吸気行程においては、吸気用カムシャフト
44の吸気弁用カム44aの作動により、吸気側ロッカ
アーム42が図8中反時計回わりに回動して第1吸気弁
18及び第2吸気弁19を開弁駆動すると共に、第2排
気側ロッカアーム47が図8中時計回わりに回動して第
2排気弁21のみを開弁駆動(エンジンが低負荷運転の
場合は、第1排気弁20をも開弁駆動)する。
【0050】この場合の第1及び第2排気弁20,21
と第1及び第2吸気弁18,19とのクランク角に対す
るリフト特性は、図9に示すようになる。図9から理解
されるように、第1及び第2吸気弁18,19と第2排
気弁21との開弁動作を同期させることができ、これに
より、吸気行程において混合気と共に逆流排気を確実に
所定のタイミングで燃焼室A内に導入することができ
る。
【0051】図10は、本発明に係る排気制御装置の他
の実施例を示す概略構成図である。この排気制御装置で
は、前述図2に示す実施例と同様に第1吸気ポート1
4、第2吸気ポート15、第1排気ポート16、逆流排
気が燃焼室Aの外周方向に沿って流入するように形成さ
れた第2排気ポート17、燃料噴射弁23、スワール制
御弁24等を備える他に、第1排気ポート16(あるい
は、排気マニホールド(不図示))の途中から第1吸気
ポート14の途中までを連通させて排気ポートから排出
された排気を吸気ポート側に還流する排気還流通路50
と、エンジンの負荷に応じてこの排気還流通路50を開
閉して還流排気Goutの流量を制御する還流排気制御
弁51と、この排気還流通路50内を流れる還流排気G
outの温度を調節する温度調節手段としての冷却器5
2等を備えている。
【0052】上記構成によれば、吸気行程において、第
1吸気ポート14から燃焼室A内に新気(空気)、燃
料、及び冷却された還流排気Goutが混合された混合
気Gmixが導入されると共に、第2排気ポート17か
ら燃焼室Aの外周方向すなわちボア側面11aに沿うよ
うに逆流排気Ginが導入されることになる。
【0053】この際、混合気Gmixと逆流排気Gin
とは、前述図6に示すものと同様に、燃焼室Aの外周部
領域に環状に逆流排気Ginが分布し、燃焼室Aの略中
央部に還流排気Goutを含んだ混合気Gmixが分布
することになる。このような、成層分布状態が形成され
ることにより、前述実施例同様に安定した圧縮自己着火
燃焼を行わせることができ、又、混合気の燃焼温度をよ
り一層緻密コントロールすることができ、NOx等の排
出量をより一層低減させることができる。
【0054】図11及び図12は、燃料を直接筒内(燃
焼室内)に噴射する直噴ガソリンエンジンにおいて、本
発明に係る排気制御装置を適用した実施例を示すもので
ある。この直噴エンジン60では、図11及び図12に
示すように、シリンダブロック61の円筒状ボア側面6
1aと、このボア側面61aに沿って往復動するピスト
ン62の凹部62a´を備えた冠面62aと、シリンダ
ヘッド63の下面63aとにより燃焼室Aが画定され、
又、シリンダヘッド63には、この燃焼室Aに新気(空
気)を導入するための独立吸気ポートとしての第1吸気
ポート64及び第2吸気ポート65と、燃焼を終えた排
気を燃焼室Aから排出するための第1排気ポート66及
び第2排気ポート67とが形成されている。また、この
シリンダヘッド63には、第1吸気ポート64の開口部
64aを開閉する第1吸気弁68と、第2吸気ポート6
5の開口部65aを開閉する第2吸気弁69と、第1排
気ポート66の開口部66aを開閉する第1排気弁70
と、第2排気ポート67の開口部67aを開閉する第2
排気弁71とが往復動自在に取り付けられており、さら
に、燃焼室Aを画定する下面63aの略中央部には、燃
料を燃焼室A内に直接噴射する電磁式燃料噴射弁72が
取り付けられ、又、その近傍には、火花点火を行なうた
めの点火プラグ73が取り付けられている。
【0055】上記第1吸気ポート64と第2吸気ポート
65とは、略同一の傾斜角をなして斜め上方から燃焼室
Aに伸長するように形成されており、この第1吸気ポー
ト64は、さらにその開口部64a近傍領域が燃焼室A
の外周方向すなわち円筒状をなすボア側面61aの接線
方向に伸長するように途中を湾曲させた形状に形成され
ており、第2吸気ポート65の途中には、駆動機構(不
図示)によってエンジンの運転条件に応じ開閉制御され
てその通路を開閉する吸気通路開閉弁としてのスワール
制御弁74が回動自在に取り付けられている。尚、これ
ら独立した第1吸気ポート64と第2吸気ポート65と
の上流側は、お互いに合流して1つの吸気ポートとして
形成されている。
【0056】上記のように第1吸気ポート64を形成し
たことにより、その開口部64aを開閉する第1吸気弁
68を吸気行程において開弁させると、この第1吸気ポ
ート64内を流れてきた新気は燃焼室A内にスワール流
として流入することになり、第2吸気ポート65内に設
けられたスワール制御弁74を閉弁させることで、この
スワール流をより強力なものにすることができる。尚、
上記スワール制御弁74を設けない構成であっても、上
記のように湾曲した第1吸気ポート64を採用すること
で、所望のスワール流を形成することができる。
【0057】一方、第1排気ポート66と第2排気ポー
ト67とは、前述実施例と同様に、第1排気ポート66
の方が大きい傾斜角をなして燃焼室Aから斜め上方に略
直線状に伸長するように形成されており、第2排気ポー
ト67は、小さい傾斜角をなして燃焼室Aから略水平方
向に伸長するように、かつその開口部67a近傍領域が
燃焼室Aの外周方向すなわち円筒状をなすボア側面61
aの接線方向に伸長するように途中を湾曲させた形状に
形成されている。
【0058】上記のように第2排気ポート17を形成し
たことにより、その開口部67aを開閉する第2排気弁
21を吸気行程において開弁させると、この第2排気ポ
ート17内に残存する排気は、図3に示すように燃焼室
Aの外周方向に向かうように指向させられて流入し、さ
らに、上述新気のスワール流の影響を受けてより一層外
周部に沿って流れるようになり、その後、前述図2に示
すように、ボア側面61aに沿った外周部領域に偏在し
て分布することになる。すなわち、上記のように形成さ
れた第2排気ポート67は、燃焼室A内に逆流する逆流
排気Ginを燃焼室Aの外周方向に沿って流入するよう
に指向させる逆流排気指向手段を構成している。尚、本
実施例における第1及び第2吸気弁68,69と第1及
び第2排気弁70,71とを開閉駆動する機構及び装置
全体の動作は、前述実施例での機構及び動作と同様のも
のであるため、ここでの説明は省略する。
【0059】以上述べた実施例においては、第2排気弁
21,71を(場合によっては第1排気弁20,70を
も)開閉作動する第2排気弁用カム30bとしては、エ
ンジンの全運転領域においてカムプロフィルが一定(カ
ム高さが一定)のものを適用したが、例えば図13に示
すように、エンジンの運転領域に応じて例えば3種類の
カムプロフィルを使い分ける可変機構を採用してもよ
い。すなわち、低負荷運転領域においては弁リフト量が
最も大きくなるような排気弁用カムを選択し、高負荷運
転領域においては弁リフト量が最も小さくなるような排
気弁用カムを選択し、中負荷運転領域においてはほぼ中
間の弁リフト量が得られるような排気弁用カムを選択す
るような構造を採用してもよい。
【0060】この構成によれば、エンジンの高負荷運転
領域では、図14に示すように、逆流排気Ginの量が
混合気Gmixの量に比べて減少した成層分布状態が形
成され、一方、エンジンの低負荷運転領域では、図15
に示すように、逆流排気Ginの量が混合気Gmixの
量に比べて増加した成層分布状態が形成されることにな
る。これにより、安定した圧縮自己着火燃焼を行なわせ
ることができると共に、すす、HC,NOx等の排出量
を大幅に低減することができる。
【0061】また、以上述べた実施例においては、第1
吸気弁18,68及び第2吸気弁19,69を開閉作動
する吸気弁用カム29aとしては、エンジンの全運転領
域においてカムプロフィルが一定(カム高さが一定)の
ものを適用したが、図16に示すように、エンジンの運
転領域に応じて例えば3種類のカムプロフィルを使い分
ける可変機構を採用してもよい。すなわち、低負荷運転
領域においては弁リフトが最も小さくなるような吸気弁
用カムを選択し、高負荷運転領域においては弁リフト量
が最も大きくなるような吸気弁用カムを選択し、中負荷
運転領域においてはほぼ中間の弁リフト量が得られるよ
うな吸気弁用カムを選択するような構造を採用してもよ
い。
【0062】この構成によれば、エンジンの高負荷運転
領域では、混合気Gmixの流入量が増加することで、
逆流排気Ginの量が混合気Gmixの量に比べて相対
的に減少し、前述図14に示すような成層分布状態が形
成され、一方、エンジンの低負荷運転領域では、混合気
Gmixの流入量が減少することで、逆流排気Ginの
量が混合気Gmixの量に比べて相対的に増加し、前述
図15に示すような成層分布状態が形成される。これに
より、前述同様安定した圧縮自己着火燃焼を行なわせる
ことができると共に、すす、HC、NOx等の排出量を
大幅に低減することができる。
【0063】以上述べた実施例では、エンジンの1気筒
分についてのみ説明したが、多気筒のエンジンについて
適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る排気制御装置を備えたガソリン
エンジンの一部を示す縦断面図である。
【図2】 本発明に係る排気制御装置を備えたガソリン
エンジンの一部を示す平面図である。
【図3】 本発明に係る排気制御装置を構成する排気ポ
ートから逆流する逆流排気の流れを説明するための平面
図である。
【図4】 内燃機関の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する
機構を示すものであり、(a)は縦断面図、(b)は吸
気用カムシャフト及び排気用カムシャフトの平面図であ
る。
【図5】 クランク角に対する吸気弁及び排気弁の弁リ
フト特性を示す図である。
【図6】 燃焼室内における逆流排気と混合気との分布
状態を示す図である。
【図7】 本発明に係る排気制御装置を構成する逆流排
気指向手段の他の実施例を示すものであり、(a)は平
面図、(b)は排気弁の側面図である。
【図8】 内燃機関の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する
機構の他の実施例を示すものであり、(a)は縦断面
図、(b)は吸気用カムシャフト及び排気用カムシャフ
トの平面図である。
【図9】 クランク角に対する吸気弁及び排気弁の弁リ
フト特性を示す図である。
【図10】 本発明に係る排気制御装置の他の実施例を
示す平面図である。
【図11】 本発明に係る排気制御装置を備えた直噴ガ
ソリンエンジンの一部を示す縦断面図である。
【図12】 本発明に係る排気制御装置を備えた直噴ガ
ソリンエンジンの一部を示す平面図である。
【図13】 排気弁用カムとして3種類のカム高さを持
つカムをエンジンの運転条件に応じて選択する構成を採
用した場合のクランク角に対する弁リフト特性を示す図
である。
【図14】 高負荷運転領域における逆流排気と混合気
との分布状態を示す図である。
【図15】 低負荷運転領域における逆流排気と混合気
との分布状態を示す図である。
【図16】 吸気弁用カムとして3種類のカム高さを持
つカムをエンジンの運転条件に応じて選択する構成を採
用した場合のクランク角に対する弁リフト特性を示す図
である。
【符号の説明】
10 ガソリンエンジン 11 シリンダブロック 11a ボア側面 12 ピストン 12a 冠面 13 シリンダヘッド 13a 下面 14 第1吸気ポート 14a 開口部 15 第2吸気ポート 15a 開口部 16 第1排気ポート 16a 開口部 17 第2排気ポート 17a 開口部 18 第1吸気弁 19 第2吸気弁 20 第1排気弁 21 第2排気弁 22 点火プラグ 23 燃料噴射弁 24 スワール制御弁(吸気通路開閉弁) 25 吸気側ロッカシャフト 26 排気側ロッカシャフト 27 吸気側ロッカアーム 28 排気側ロッカアーム 29 吸気用カムシャフト 29a 吸気弁用カム 30 排気用カムシャフト 30a 第1排気弁用カム 30b 第2排気弁用カム 31 第1排気ポート 32 第2排気ポート 33 第2排気弁 33a 傘部 34 シュラウド 40 吸気側ロッカシャフト 41 第1排気側ロッカシャフト 42 吸気側ロッカアーム 43 第1排気側ロッカアーム 44 吸気用カムシャフト 44a 吸気弁用カム 45 排気用カムシャフト 45a 排気弁用カム 46 第2排気側ロッカシャフト 47 第2排気側ロッカアーム 50 排気還流通路 51 還流排気制御弁 52 冷却器(温度調節手段) 60 直噴ガソリンエンジン 61 シリンダブロック 61a ボア側面 62 ピストン 62a 冠面 62a´ 凹部 63 シリンダヘッド 64 第1吸気ポート 65 第2吸気ポート 66 第1排気ポート 67 第2排気ポート 68 第1吸気弁 69 第2吸気弁 70 第1排気弁 71 第2排気弁 72 燃料噴射弁 73 点火プラグ 74 スワール制御弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02D 21/08 301 F02D 21/08 301Z 41/02 301 41/02 301E 351 351 43/00 301 43/00 301B 301N 301Z F02M 25/07 510 F02M 25/07 510B (72)発明者 野 田 徹 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼室に連通する吸気ポートの開口部を
    開閉する2つ以上の吸気弁と、燃焼室に連通する排気ポ
    ートの開口部を開閉する2つ以上の排気弁とを備え、少
    なくとも1つの排気弁を排気行程から吸気行程に亘る所
    定領域において開弁して排気ポート内にある排気の一部
    を燃焼室内へ逆流させるように制御し、負荷に応じて自
    己着火運転と点火プラグによる火花点火運転とを選択的
    に切り替えて運転させる内燃機関の排気制御装置であっ
    て、 前記少なくとも1つの排気弁の開弁により燃焼室内に逆
    流する逆流排気を燃焼室の外周方向に沿って流入するよ
    うに指向させる逆流排気指向手段を設けた、 ことを特徴とする内燃機関の排気制御装置。
  2. 【請求項2】 前記逆流排気指向手段は、前記少なくと
    も1つの排気弁により開閉される開口部側領域を燃焼室
    の外周方向に沿って伸長するように形成した排気ポート
    である、ことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排
    気制御装置。
  3. 【請求項3】 前記逆流排気指向手段は、前記少なくと
    も1つの排気弁の傘部に設けられて逆流排気が燃焼室の
    外周方向以外へ流れるのを阻止する壁面を形成するシュ
    ラウドである、ことを特徴とする請求項1記載の内燃機
    関の排気制御装置。
  4. 【請求項4】 前記逆流排気指向手段は、前記少なくと
    も1つの排気弁により開閉される開口部側領域を燃焼室
    の外周方向に沿って伸長するように形成した排気ポート
    及び前記少なくとも1つの排気弁の傘部に設けられて逆
    流排気が燃焼室の外周方向以外へ流れるのを阻止する壁
    面を形成するシュラウドである、ことを特徴とする請求
    項1記載の内燃機関の排気制御装置。
  5. 【請求項5】 前記排気弁を駆動する排気用カムシャフ
    トを有し、 前記排気用カムシャフトは、前記排気弁の全てを排気行
    程において開弁駆動する第1排気弁用カムと、前記少な
    くとも1つの排気弁を吸気行程においても開弁駆動する
    第2排気弁用カムとを有する、ことを特徴とする請求項
    1ないし4いずれか1つに記載の内燃機関の排気制御装
    置。
  6. 【請求項6】 前記吸気弁を開弁駆動する吸気弁用カム
    が形成された吸気用カムシャフトを有し、 前記少なくとも1つの排気弁は、前記吸気弁用カムによ
    り、吸気行程においても開弁駆動される、ことを特徴と
    する請求項1ないし4いずれか1つに記載の内燃機関の
    排気制御装置。
  7. 【請求項7】 前記吸気ポートは、燃焼室への開口部か
    ら上流側へ向かう少なくとも所定の領域において、2つ
    以上の独立した独立吸気ポートとして形成されており、
    前記独立吸気ポートの少なくとも1つには、その通路を
    開閉する吸気通路開閉弁を有する、ことを特徴とする請
    求項1ないし6いずれか1つに記載の内燃機関の排気制
    御装置。
  8. 【請求項8】 前記排気ポートから排出された排気を前
    記吸気ポート側に還流する排気還流通路と、負荷に応じ
    て前記排気還流通路を開閉し還流排気の流量を制御する
    還流排気制御弁とを有する、ことを特徴とする請求項1
    ないし7いずれか1つに記載の内燃機関の排気制御装
    置。
  9. 【請求項9】 前記排気還流通路を流れる還流排気の温
    度を調節する温度調節手段を有する、ことを特徴とする
    請求項8記載の内燃機関の排気制御装置。
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