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JP3591141B2 - In-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine - Google Patents

In-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine Download PDF

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JP3591141B2
JP3591141B2 JP17892096A JP17892096A JP3591141B2 JP 3591141 B2 JP3591141 B2 JP 3591141B2 JP 17892096 A JP17892096 A JP 17892096A JP 17892096 A JP17892096 A JP 17892096A JP 3591141 B2 JP3591141 B2 JP 3591141B2
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fresh air
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valve
intake
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Nissan Motor Co Ltd
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    • F02B23/101Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、排気を吸気系に再循環する排気還流装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
筒内直接噴射式火花点火内燃機関においては、燃焼室内に燃料を直接供給するため、応答性の改善が期待できるものである。
このような内燃機関においては、燃焼室内に縦渦の吸気流(タンブル渦流)を形成して、理論混合気よりも希薄な燃料で希薄燃焼(以下、リーン燃焼)を行い、機関の燃費を改善する方法が採られる。
【0003】
希薄燃料でも、点火時に点火プラグ近傍に濃い混合気を形成して成層化を図ることが可能であれば、燃焼(リーン燃焼)が可能であり、成層化は、前述のタンブル渦流を燃焼室に生成することによって実現可能である。
かかるタンブル渦流の形成方法としては、吸気ポートのハイポート化(直立ポート)やその形状変更等による方法が従来より提案されている。
【0004】
しかしながら、リーン燃焼による燃費低減を実現させると、一方で排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)があまり低減できない。
そこで、排気を吸気系に再循環する排気還流(以下、EGR)装置を付加し、排気を再燃焼させてNOxを低減することが有効である。
筒内直接噴射式火花点火内燃機関は、EGRシステムに対して強いという特徴を持っており、大量のEGRガスの供給が可能で、NOx低減効果が大きい。
【0005】
ところで、従来、このようなEGR装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関の構造としては、図10及び図11に示すようなものがある(特開平6−147022号公報参照)。
即ち、このものは、ピストン40冠面とシリンダヘッド41の下面との間に燃焼室42を形成し、シリンダ43の中心に沿ったシリンダ軸線を含む平面を挟んでシリンダヘッド41の一側に吸気ポート44と他側に排気ポート45とを夫々備えると共に、各ポート44,45は夫々吸気バルブ46と排気バルブ47を介して燃焼室42に連通される。
【0006】
又、吸気ポート44側のシリンダヘッド41側壁には、燃料噴射弁48が取り付けられ、該燃料噴射弁48の先端噴孔48aが燃焼室42の周縁部から該燃焼室42内に臨まされ、吸気ポート44と排気ポート45間のシリンダヘッド41下部壁には、点火プラグ49が取り付けられ、該点火プラグ49の先端の電極49aは燃焼室42の中央部付近から該燃焼室42内に臨まされる。
【0007】
更に、かかる機関においては、後に詳述する成層混合気を作るため、燃焼室42内における、吸気ポート44からの吸気の逆タンブル渦流の発生を助長するべく、ピストン40冠面の一側(例えば吸気側)部分に、下に凸の曲面を有した凹所40aが形成されると共に、この凹所40aからなだらかに隆起してピストン40の上死点においてシリンダヘッド41下面に近接する隆起部40bが形成される。
【0008】
一方、吸気管44Aと排気管45Aとは、EGR制御弁50を介装したEGR管51を介して連通され、これらのEGR制御弁50とEGR管51とから、排気を吸気系に再循環するEGR装置を構成している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のEGR装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関にあっては、リーン燃焼を可能とするための成層混合気状態を作るべく、燃料噴射弁48から噴射した燃料を点火プラグ49の電極49a付近に輸送するガス流動を生成する構成となっており、吸気ポート44を直立させた構成となっている。
【0010】
即ち、燃焼室22に流入する吸気流を、その旋回方向が、吸気バルブ46→ピストン40→排気バルブ47という順序となる、所謂逆タンブル渦流とするため、吸気ポート44の燃焼室42に対する連通方向をシリンダヘッド41上方からとしている。
このため、吸気ポートの燃焼室に対する連通方向がシリンダヘッド側方からである一般的なレイアウトと比較して、機関の全高が高くなる等の問題点があり、機関の車両搭載性が悪化し、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が必要になるため、生産性の悪化を来すという問題点がある。
【0011】
更に、従来の機関にあっては、吸気管44Aと排気管45Aとを短いEGR管51で連通するべく、吸気管44Aと排気管45Aとが近接した構成となっており、この構成によって、排気の熱により吸気管44Aが熱せられ、これに伴って、吸気流の温度上昇が生起し、機関の充填効率の低下を来し、機関の高出力化が望めないという問題点がある。
【0012】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気還流装置を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、前記排気還流装置の構造等において工夫を凝らすことにより、リーン燃焼による燃費低減の実現と窒素酸化物(NOx)の低減の実現とを両立させつつ、従来生起していた問題点を解決することを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明は、
燃料噴射弁により、ピストン冠面とシリンダボア内周面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
排気を吸気系に再循環する排気還流装置であって、各気筒毎に設けられて吸気バルブと排気バルブが夫々配設される吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、該排気還流通路に介装される排気還流制御弁と、を含んで構成される排気還流装置を備える一方、
前記吸気ポート上流側の吸気通路に介装されるスロットルバルブと、
前記排気還流通路の前記排気還流制御弁下流側に連通される新気導入通路と、
前記新気導入通路に介装される新気制御弁と、
前記スロットルバルブ、排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々制御するコントロールユニットと、
を含んで構成する一方、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状をなしつつ、シリンダヘッド側方から燃焼室に連通され、
前記コントロールユニットは、機関全開時には、前記スロットルバルブの開度を機関運転状態に応じて制御すると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々閉じて、新気を吸気通路のみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に順タンブル渦流を形成する一方、機関部分負荷運転時には、前記スロットルバルブを閉じると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁のうち少なくとも新気制御弁を開いて、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートのみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に逆タンブル渦流を形成する制御を行う構成とした。
【0014】
請求項2に係る発明は、
前記ピストン冠面の吸気側であって燃料噴射弁の先端噴孔と点火プラグの先端電極とが臨む位置に、凹所を形成した構成とした。
請求項3に係る発明は、
前記燃料噴射弁を、その先端噴孔が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該吸気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設し、
前記点火プラグを、その先端電極が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該排気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設した。
【0015】
請求項4に係る発明は、
前記新気導入通路は、前記排気還流通路の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延び、一端部は大気に開放され、他端部は閉塞された新気導入管と、該新気導入管から分岐した複数の新気導入分岐管とから構成され、
各新気導入分岐管は、各排気還流通路の排気還流制御弁近傍の上部壁に連通され、
各新気導入分岐管には、前記新気制御弁が介装される構成とした。
【0016】
請求項5に係る発明は、
各気筒毎に設けた2つの排気還流通路の基端部を合流させて一体化して形成した単一の排気還流管を設け、
前記新気導入分岐管を、前記単一の排気還流管の前記合流部に連通し、
前記排気還流管の前記合流部に排気還流制御弁を介装し、
前記新気導入分岐管に新気制御弁を介装した構成とした。
【0017】
請求項6に係る発明は、
前記コントロールユニットは、機関部分負荷運転時において、排気還流領域では前記排気還流制御弁を開く一方、排気還流領域外では前記排気還流制御弁を閉じる制御を行う構成とした。
【0018】
かかる本発明の作用について説明すると、機関全開時には、吸入空気量も多く、燃料も多く供給されるため、通常の吸気系からのみ吸気(新気)を導入する。
即ち、機関全開時には、スロットルバルブの開度が機関運転状態に応じて制御される一方、排気還流通路の排気還流制御弁並びに新気導入通路の新気制御弁が共に閉じられる。
これにより、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が遮断され、通常の吸気系からのみ吸気ポートを介して新気が燃焼室に導入される。
【0019】
燃焼室内の吸気流れは、順タンブル渦流となり、この順タンブル渦流によって、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料と空気との混合気がピストン冠面の凹所内を旋回して、点火プラグにて点火される。
機関の部分負荷運転時には、リーン燃焼とNOx低減とを両立させるため、必要に応じて、排気還流を実行する。
【0020】
即ち、部分負荷運転時の排気還流領域においては、スロットルバルブが閉じられ、排気還流通路の排気還流制御弁並びに新気導入通路の新気制御弁が共に開かれる。
これにより、排気還流通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が行われ、吸気ポートから排気還流ガスと新気とが燃焼室に導入される。
【0021】
燃焼室内の吸気流れは、逆タンブル渦流となり、この逆タンブル渦流は、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気を点火プラグの電極近傍に配置する向きであるから、成層化を実現することができる。よって、成層化によるリーン燃焼が奏される。
一方、部分負荷運転時の排気還流領域外においては、スロットルバルブが閉じられ、排気還流通路の排気還流制御弁が閉じられ、新気導入通路の新気制御弁が開かれる。
【0022】
これにより、新気導入通路からの新気の排気還流通路への導入が行われ、吸気ポートから新気のみが燃焼室に導入される。
燃焼室内の吸気流れは、先の排気還流領域時と同様に、逆タンブル渦流となり、成層化によるリーン燃焼が奏される。
請求項7に係る発明は、
燃焼室内に燃料を直接噴射して火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、
前記排気還流通路に連通される新気導入通路と、
を含んで構成され、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状に形成され、
所定の運転状態時に、前記吸気ポート上流側に配設されたスロットルバルブを閉じると共に、前記排気ポートからの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートを介して燃焼室に導入し、燃焼室内の吸気流れが、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気が点火プラグ近傍に配置する向きである逆タンブル渦流を形成する構成とした。
【0023】
【発明の効果】
請求項1及び7に係る発明によれば、
吸気ポートの燃焼室に対する連通方向がシリンダヘッド側方からである一般的なレイアウトにしつつ、リーン燃焼による燃費低減の実現と窒素酸化物(NOx)の低減の実現とを両立させることができ、機関の全高が高くなる等の問題点がなくなって、機関の車両搭載性が良好となり、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が不要になるため、生産性の向上を図ることができる。
【0024】
又、従来のように吸気管と排気管とを短い排気還流管で連通するべく、吸気管と排気管とが近接した構成とする必要がなくなり、排気の熱により吸気管が熱せられるのを防止できるため、吸気流の温度上昇の生起を抑制でき、機関の充填効率の向上を図れ、機関の高出力化を望むことができる。
更に、排気還流通路により、各気筒毎の排気ポートと吸気ポートとを連通するようにして、排気還流ガスを各気筒毎に供給するようにしたから、各気筒に対する排気還流ガス分配性を向上できる。
【0025】
請求項2に係る発明によると、
ピストン冠面の凹所により、燃焼室に吸入された排気還流ガスや燃焼室内で気化した混合気の拡散を抑制でき、又、凹所によって、点火前に濃い混合気ガスを点火プラグの電極近傍に分布させる成層化にも有効である。
請求項3に係る発明によると、
燃料噴射弁と点火プラグの配置が、リーン燃焼を実現するための成層化により有利となる。
【0026】
請求項4に係る発明によると、
新気導入通路を効果的に形成でき、レイアウト性に優れている。
請求項5に係る発明によると、
排気還流通路、新気制御弁及び排気還流制御弁の設置数を半分に低減できる等構成の簡略化を図れ、製作コストの低減を図ることができる。
【0027】
請求項6に係る発明によると、
機関全開時には、通常と変わりのない運転性能を保持でき、機関の部分負荷運転時には、成層化によるリーン燃焼を奏することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1は、本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施形態である4サイクル内燃機関の全体を示す平面図、図2及び図3は、機関のシリンダ部分の拡大平面図及び縦断面図である。
【0029】
これらの図において、シリンダブロック3のシリンダボア3A内にて往復運動されるピストン2の冠面2Aとシリンダボア3A内周面とシリンダヘッド1下面との間には燃焼室7が形成され、この燃焼室7の上部のシリンダヘッド1、即ち、シリンダヘッド1下部に形成されたシリンダヘッド燃焼室7Aの壁面を臨む位置には並列する2つの吸気ポート4と並列する2つの排気ポート5とが設けられ、各吸気ポート4には吸気バルブ13が、各排気ポート5には排気バルブ14が、夫々配設され、各吸気ポート4及び各排気ポート5には、夫々サージタンク21から分岐した吸気マニホールド8及び排気マニホールド9が接続される。前記サージタンク21の入口部には吸気管21Aが接続され、該吸気管21Aには吸入空気量を制御するスロットルバルブ22が介装される。
【0030】
前記吸気ポート4、吸気マニホールド8、サージタンク21及び吸気管21Aから、吸気通路が構成され、前記排気ポート5及び排気マニホールド9から、排気通路が構成される。
前記吸気通路の一部を構成する吸気ポート4並びに排気通路の一部を構成する排気ポート5の燃焼室7に対する連通方向は、夫々シリンダヘッド1側方からに設定され、吸気ポート4と排気ポート5とは互いに相反する方向に伸びた配置となっている。
【0031】
ここで、燃料噴射弁18は、図示しない燃料ギャラリから供給される燃料を燃焼室7内に直接噴射するものであり、その先端噴孔18aが吸気バルブ13と排気バルブ14間位置で、該吸気バルブ13近傍位置において、燃焼室7内に露出し、かつ燃料噴霧の中心線がシリンダ中心軸と所定角度をなすように、燃焼室7のピストン2の冠面2Aと対向するシリンダヘッド1壁、即ち、シリンダヘッド燃焼室7Aの壁に配設される。
【0032】
又、点火プラグ20は、その先端の電極20aが前記吸気バルブ13と排気バルブ14間位置で、該排気バルブ14近傍位置において、燃焼室7内に露出し、かつその中心線がシリンダ中心軸と所定角度をなすように、シリンダヘッド燃焼室7Aの壁に配設される。
前記ピストン2の冠面2Aは、機関が圧縮行程中(上死点付近)のときにおいて、燃料噴射弁18から吸気側に噴射された燃料の噴霧を受けて、該燃料噴霧を点火プラグ20の電極20a方向に向かわしめる形状に形成される。
【0033】
具体的には、ピストン2の冠面2Aの吸気側であって燃料噴射弁18の先端噴孔18aと点火プラグ20の先端電極20aとが臨む位置に、内面が凹曲面の凹所30(図4(A)参照)が形成される。尚、図示した凹所30の形状は一例であり、例えば図4(B)に示す形状の凹所30等、その他種々の形状が考えられる。
【0034】
かかる筒内直接噴射式火花点火内燃機関には、排気を吸気系に再循環するEGR装置が設けられている。
かかるEGR装置は、吸気ポート4と排気ポート5とを連通するEGR通路としてのEGR管10と、該EGR管10に介装されるEGR制御弁11と、を含んで構成される。
【0035】
この場合、各EGR管10は吸気ポート4と排気ポート5の上方位置に、上方に凸の湾曲形状をなして配設され、その一端部は各排気ポート5に、他端部は各吸気ポート4に連通される。
又、各EGR管10の各EGR制御弁11下流側には、新気導入通路が連通接続され、この新気導入通路29には新気制御弁16が介装される。
【0036】
前記新気導入通路29は、前記EGR管10の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延びる新気導入管29Aと、該新気導入管29Aから分岐した複数の新気導入分岐管29Bとから構成される。
前記新気導入管29Aの一端部は図示しないエアフィルタを介して大気に開放され、他端部は閉塞される。
【0037】
又、新気導入管29Aから分岐した各新気導入分岐管29Bは、各EGR管10のEGR制御弁11近傍の上部壁に連通され、各新気導入分岐管29Bには、前記新気制御弁16が夫々介装される。
かかる構成によって、排気ポート5からの排気還流ガスと新気導入管29Aからの新気とが、EGR管10から吸気ポート4を介して燃焼室7に導入可能となるが、EGR管10の吸気ポート4への連通口4Aは、該EGR管10から吸気ポート4を介して燃焼室7に流入する排気還流ガス及び新気が、燃焼室7内にて、吸気バルブ13、ピストン2、排気バルブ14という順序の旋回方向を有する逆タンブル渦流となるような位置に設定される。
【0038】
具体的には、EGR管10の吸気ポート4への連通口4Aは、該吸気ポート4の上部壁に設定される。又、EGR管10の排気ポート5への連通口5Aは、該排気ポート5の上部壁に設定される。
上述したEGR制御弁11並びに新気制御弁16は、共に、機関運転状態に基づいて、コントロールユニット15からの制御信号により開閉並びに開時の開度が制御される。
【0039】
この制御内容においては、後述の作用の説明にて行う。
次に、かかる実施形態の作用を、機関の運転状態毎に分けて説明する。
機関の全開時(WOT)
機関全開時、スロットルバルブ22の全開時には、吸入空気量も多く、燃料も多く供給されるため、吸気マニホールド8からのみ吸気(新気)を導入する。
【0040】
即ち、図5において、機関全開時には、コントロールユニット15からの指令により、EGR管10のEGR制御弁11並びに新気導入通路29の新気制御弁16が共に閉じられる。
これにより、排気通路からのEGRガスと新気導入通路29からの新気のEGR管10への導入が遮断され、吸気マニホールド8からのみ吸気ポート4を介して新気24が燃焼室7に導入される。
【0041】
吸気流の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット15からの信号によりスロットルバルブ22の開度が制御されることによって、制御される。
燃焼室7内の吸気流れは、図5の矢印で示す方向の順タンブル渦流31となり、この順タンブル渦流によって、燃料噴射弁18から燃焼室7内に直接噴射された燃料19と空気との混合気26がピストン冠面2Aの凹所30内を図の矢印で示すように旋回して、点火プラグ20にて点火される。
【0042】
機関の部分負荷運転時
機関の部分負荷運転時には、リーン燃焼とNOx低減とを両立させるため、EGRを実行する。
ここで、リーン燃焼とNOx低減とを成立させるためには、EGR量を適切に設定する必要がある。
【0043】
図8は、リーン燃焼とNOx低減とが成立するEGR供給量を示すグラフであり、夫々機関回転数一定、空燃比(A/F)=λ時の堆積効率ηvを夫々45%(同図(a))、35%(同図(b))、25%(同図(c))で一定とし、このときの燃料供給量を固定して、機関を運転した結果を示している。
各グラフの横軸はA/F、縦軸は吸気新気に対するEGRガスの混合率(EGR率)である。又、各グラフのa線は、EGRガスの導入限界線、b線は、NOxを90%以上低減するに必要なEGRガス量、c線は、燃焼変動率を10%以内にするために必要なEGRガス量を示している。
【0044】
従って、各グラフのa〜c線で囲まれた領域内でEGR実行することにより、リーン燃焼とNOx低減とを成立させた運転状態となる。又、前記a〜c線で囲まれた領域外は、EGR実行しない領域となる。
一方、リーン燃焼時には、点火時に点火プラグ20の電極20a付近に濃い混合気を形成しておき、燃焼室7内を成層化することが有効であり、成層化することによって、点火安定性が増し、希薄限界点が高くなる。
【0045】
成層化するためには、噴射燃料による混合気が点火時に点火プラグ20の電極20a近傍に存在させることができる吸気流れが必要であり、上述した全開時のような順タンブル渦流31では、吸気流が噴射燃料に直接当たるため、噴射燃料を巻き込んで希薄混合化してしまい、成層化を図れない。
従って、部分負荷運転時のEGR領域(図8参照)においては、コントロールユニット15からの指令により、図6に示すように、EGR管10のEGR制御弁11並びに新気導入通路29の新気制御弁16が共に開かれる。
【0046】
これにより、排気通路からのEGRガスと新気導入通路29からの新気のEGR管10への導入が行われ、吸気ポート4からEGRガスと新気とが燃焼室7に導入される。
EGRガスと新気の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット15からの信号によりEGR制御弁11の開度並びに新気制御弁16の開度が夫々制御されることによって、制御される。
【0047】
燃焼室7内の吸気流れは、図の矢印で示す逆タンブル渦流32となり、この逆タンブル渦流32は、燃料噴射弁18から燃焼室7内に直接噴射された燃料19による濃い気化混合気26を点火プラグ20の電極20a近傍に配置する向きであるから、成層化を実現することができる。よって、成層化によるリーン燃焼が奏される。
【0048】
尚、図6において、25は新気、27はEGRガスを示す。
一方、部分負荷運転時のEGR領域外(図8参照)においては、コントロールユニット15からの指令により、図7に示すように、スロットルバルブ22が閉じられる一方、EGR管10のEGR制御弁11が閉じられ、新気導入通路29の新気制御弁16が開かれる。
【0049】
これにより、新気導入通路29からの新気のEGR管10への導入が行われ、吸気ポート4から新気のみが燃焼室7に導入される。
この場合も、新気の供給量は、機関の運転状態に基づき、コントロールユニット15からの信号により新気制御弁16の開度が夫々制御されることによって、制御される。
【0050】
燃焼室7内の吸気流れは、図6のEGR領域時と同様に、逆タンブル渦流となり、成層化によるリーン燃焼が奏される。
機関の低回転時
機関低回転時には、コントロールユニット15からの指令により、EGR管10のEGR制御弁11が閉じられ、新気導入通路29の新気制御弁16が開かれる。
【0051】
これにより、新気導入通路29からの新気のEGR管10への導入が行われ、吸気ポート4から新気のみが燃焼室7に導入される。
これにより、同様に成層化が図られて点火安定性が向上され、燃費向上が図られる。
以上説明した実施形態によると、リーン燃焼による燃費低減を実現させつつ、窒素酸化物(NOx)を低減でき、しかも、従来の問題点を次のように解消することができる。
【0052】
即ち、吸気ポート4の燃焼室7に対する連通方向がシリンダヘッド1側方からである一般的なレイアウトにすることができ、機関の全高が高くなる等の問題点がなくなって、機関の車両搭載性が良好となり、又、一般的な従来の機関に対して大幅な変更が不要になるため、生産性の向上を図ることができる。
又、従来のように吸気管と排気管とを短いEGR管で連通するべく、吸気管と排気管とが近接した構成とする必要がなくなり、排気の熱により吸気管が熱せられるのを防止できるため、吸気流の温度上昇の生起を抑制でき、機関の充填効率の向上を図れ、機関の高出力化を望むことができる。
【0053】
更に、上記の構成によると、EGR管10により、各気筒毎の排気ポート5と吸気ポート4とを連通するようにして、EGRガスを各気筒毎に供給するようにしたから、各気筒に対するEGRガス分配性を向上できる。
又、ピストン冠面2Aに凹所30を設ける構成としたから、燃焼室7に吸入されたEGRガスや燃焼室7内で気化した混合気の拡散を抑制でき、又、凹所30によって、点火前に濃い混合気ガスを点火プラグ20の電極20a近傍に分布させる成層化にも有効である。
【0054】
上記の実施形態においては、各気筒毎に新気導入管29Aから分岐した2つの新気導入分岐管29Bを設け、これを各気筒毎に設けた2つのEGR管10に連通した構成としたが、図9に示すように、各気筒毎に設けた2つのEGR管10の基端部を合流させて一体化して形成した単一のEGR管10Aを設けると共に、各気筒毎に新気導入管10から分岐した1つの新気導入分岐管29Cを設け、これを単一のEGR管10Aの前記合流部に連通し、1つの新気導入分岐管29Cに夫々新気制御弁16を介装し、単一のEGR管10Aの前記合流部にEGR制御弁11を介装した構成としても良い。
【0055】
かかる構成によれば、EGR管、新気制御弁及びEGR制御弁の設置数を半分に低減できる等構成の簡略化を図れ、製作コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施形態を示す縦断面図
【図2】同上の実施形態の平面図
【図3】同上の実施形態の機関全体の平面図
【図4】ピストン冠面形状を示す平面図
【図5】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図6】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図7】同上実施形態の作用を説明する縦断面図
【図8】リーン燃焼とNOx低減とが成立するEGR供給量を示すグラフ
【図9】他の実施形態を示す機関全体の平面図
【図10】従来の筒内直接噴射式火花点火内燃機関を示す縦断面図
【図11】同上の平面図
【符号の説明】
1 シリンダヘッド
2 ピストン
2A ピストン冠面
3A シリンダボア
4 吸気ポート
4A 連通口
5 排気ポート
7 燃焼室
10 EGR管
11 EGR制御弁
13 吸気バルブ
14 排気バルブ
15 コントロールユニット
16 新気制御弁
18 燃料噴射弁
18a 噴孔
20 点火プラグ
20a 電極
29 新気導入通路
29A 新気導入管
29B 新気導入分岐管
29C 新気導入分岐管
30 凹所
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine in which fuel is directly injected into a cylinder by a fuel injection valve and spark ignition is performed by a spark plug, and in particular, includes an exhaust gas recirculation device for recirculating exhaust gas to an intake system. And a direct injection type spark ignition internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In a direct injection type spark ignition internal combustion engine, improvement of responsiveness can be expected because fuel is supplied directly into the combustion chamber.
In such an internal combustion engine, a vertical vortex intake flow (tumble vortex) is formed in the combustion chamber to perform lean combustion (hereinafter, lean combustion) with a fuel leaner than the stoichiometric air-fuel mixture, thereby improving fuel efficiency of the engine. Is adopted.
[0003]
Even with lean fuel, combustion (lean combustion) is possible if stratification can be achieved by forming a rich air-fuel mixture near the ignition plug at the time of ignition. In the stratification, the aforementioned tumble vortex flows into the combustion chamber. It can be realized by generating.
As a method for forming such a tumble vortex, a method has been conventionally proposed in which an intake port is made to be a high port (upright port) or its shape is changed.
[0004]
However, when the fuel consumption is reduced by lean combustion, nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas cannot be reduced so much.
Therefore, it is effective to add an exhaust gas recirculation (hereinafter, EGR) device that recirculates the exhaust gas to the intake system to reduce the NOx by reburning the exhaust gas.
The in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine has a feature that it is strong against the EGR system, can supply a large amount of EGR gas, and has a large NOx reduction effect.
[0005]
Conventionally, as a structure of a direct injection type spark ignition internal combustion engine equipped with such an EGR device, there is one shown in FIGS. 10 and 11 (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-147022).
That is, in this device, a combustion chamber 42 is formed between the crown surface of the piston 40 and the lower surface of the cylinder head 41, and the intake air is supplied to one side of the cylinder head 41 across a plane including the cylinder axis along the center of the cylinder 43. A port 44 and an exhaust port 45 are provided on the other side, respectively. Each of the ports 44 and 45 is connected to the combustion chamber 42 via an intake valve 46 and an exhaust valve 47, respectively.
[0006]
A fuel injection valve 48 is mounted on a side wall of the cylinder head 41 on the side of the intake port 44, and a tip injection hole 48 a of the fuel injection valve 48 faces the inside of the combustion chamber 42 from a peripheral portion of the combustion chamber 42. An ignition plug 49 is attached to the lower wall of the cylinder head 41 between the port 44 and the exhaust port 45, and an electrode 49 a at the tip of the ignition plug 49 faces the combustion chamber 42 from near the center of the combustion chamber 42. .
[0007]
Further, in such an engine, in order to create a stratified mixture, which will be described in detail later, one side (for example, one side of the crown surface of the piston 40) is formed in the combustion chamber 42 in order to promote the generation of a reverse tumble vortex of the intake air from the intake port 44. A concave portion 40a having a downwardly convex curved surface is formed in the (intake side) portion, and a raised portion 40b gently rising from the concave portion 40a and approaching the lower surface of the cylinder head 41 at the top dead center of the piston 40. Is formed.
[0008]
On the other hand, the intake pipe 44A and the exhaust pipe 45A are communicated via an EGR pipe 51 provided with an EGR control valve 50, and the exhaust gas is recirculated from the EGR control valve 50 and the EGR pipe 51 to the intake system. This constitutes an EGR device.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the direct injection type spark ignition internal combustion engine equipped with such a conventional EGR device, the fuel injected from the fuel injection valve 48 is ignited in order to create a stratified mixture state for enabling lean combustion. The configuration is such that a gas flow to be transported near the electrode 49a of the plug 49 is generated, and the intake port 44 is set upright.
[0010]
That is, in order to make the intake air flowing into the combustion chamber 22 into a so-called reverse tumble vortex in which the swirling direction is the order of the intake valve 46 → the piston 40 → the exhaust valve 47, the direction in which the intake port 44 communicates with the combustion chamber 42. From above the cylinder head 41.
For this reason, compared with a general layout in which the communication direction of the intake port with respect to the combustion chamber is from the side of the cylinder head, there is a problem that the overall height of the engine is increased, and the vehicle mountability of the engine is deteriorated. In addition, there is a problem that the productivity is deteriorated because a large change is required for a general conventional engine.
[0011]
Further, in the conventional engine, the intake pipe 44A and the exhaust pipe 45A are arranged close to each other so that the intake pipe 44A and the exhaust pipe 45A communicate with each other through the short EGR pipe 51. As a result, the intake pipe 44A is heated by this heat, which causes a rise in the temperature of the intake air flow, which lowers the charging efficiency of the engine, and raises the problem that it is not possible to increase the output of the engine.
[0012]
Accordingly, the present invention has been made in view of the conventional problems as described above, and in a direct injection type spark ignition internal combustion engine equipped with an exhaust gas recirculation device, by devising the structure of the exhaust gas recirculation device, etc. It is an object of the present invention to solve the problems that have conventionally occurred while achieving both the reduction in fuel consumption and the reduction in nitrogen oxides (NOx).
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the invention according to claim 1 is
In a direct injection type spark ignition internal combustion engine, a fuel injection valve directly injects fuel into a combustion chamber formed between a piston crown surface, a cylinder bore inner peripheral surface, and a cylinder head lower surface, and performs spark ignition by a spark plug. ,
A exhaust gas recirculation device for recirculating the exhaust to the intake system, to an intake port and an exhaust port an exhaust valve and an intake valve provided for each cylinder are respectively disposed through communication at its upper position, the upper An exhaust gas recirculation device that includes an exhaust gas recirculation passage disposed in a convex curved shape , and an exhaust gas recirculation control valve interposed in the exhaust gas recirculation passage;
A throttle valve interposed in the intake passage upstream of the intake port;
A fresh air introduction passage communicating with the exhaust gas recirculation passage downstream of the exhaust gas recirculation control valve;
A fresh air control valve interposed in the fresh air introduction passage;
A control unit for controlling the throttle valve, the exhaust gas recirculation control valve, and the fresh air control valve, respectively;
While comprising
The intake port communicates with the combustion chamber from the side of the cylinder head while forming an upwardly convex curved shape ,
When the engine is fully opened, the control unit controls the opening degree of the throttle valve in accordance with the operating state of the engine, closes the exhaust gas recirculation control valve and the fresh air control valve, and burns fresh air only through the intake passage. In the engine partial load operation, the throttle valve is closed, and at least one of the exhaust gas recirculation control valve and the fresh air control valve is opened to introduce the exhaust gas into the combustion chamber. A configuration in which at least fresh air out of the exhaust gas recirculation gas from the passage and the fresh air from the fresh air introduction passage is introduced into the combustion chamber through only the exhaust gas recirculation passage and the intake port to form a reverse tumble vortex in the combustion chamber. And
[0014]
The invention according to claim 2 is
A recess is formed on the intake side of the piston crown surface at a position where the tip injection hole of the fuel injection valve and the tip electrode of the ignition plug face each other.
The invention according to claim 3 is:
The fuel injection valve is disposed on the combustion chamber wall such that its tip injection hole is exposed to the combustion chamber at a position between the intake valve and the exhaust valve and at a position near the intake valve.
The spark plug is disposed on the combustion chamber wall such that the tip electrode is exposed to the combustion chamber at a position between the intake valve and the exhaust valve and near the exhaust valve.
[0015]
The invention according to claim 4 is
The fresh air introduction passage extends parallel to the cylinder row direction of the engine at an upper position near the inlet end of the exhaust gas recirculation passage, and has one end open to the atmosphere and the other end closed. A pipe, and a plurality of fresh air introduction branch pipes branched from the fresh air introduction pipe,
Each fresh air introduction branch pipe is communicated with an upper wall of each exhaust gas recirculation passage near the exhaust gas recirculation control valve,
Each fresh air introduction branch pipe was configured to have the fresh air control valve interposed therebetween.
[0016]
The invention according to claim 5 is
A single exhaust gas recirculation pipe is formed by merging and integrating the base ends of two exhaust gas recirculation passages provided for each cylinder,
The fresh air introduction branch pipe communicates with the junction of the single exhaust gas recirculation pipe,
An exhaust gas recirculation control valve is interposed at the junction of the exhaust gas recirculation pipe,
The fresh air introduction branch pipe was provided with a fresh air control valve interposed.
[0017]
The invention according to claim 6 is
The control unit is configured to perform a control to open the exhaust gas recirculation control valve in the exhaust gas recirculation region and close the exhaust gas recirculation control valve outside the exhaust gas recirculation region during the engine partial load operation.
[0018]
To explain the operation of the present invention, when the engine is fully opened, the intake air amount is large and a large amount of fuel is supplied, so that intake air (fresh air) is introduced only from a normal intake system.
That is, when the engine is fully opened, the opening of the throttle valve is controlled in accordance with the engine operating state, while the exhaust gas recirculation control valve in the exhaust gas recirculation passage and the fresh air control valve in the fresh air introduction passage are both closed.
As a result, the introduction of the exhaust gas recirculation gas from the exhaust passage and the fresh air from the fresh air introduction passage into the exhaust gas recirculation passage is interrupted, and fresh air is introduced into the combustion chamber only from a normal intake system via the intake port. .
[0019]
The intake air flow in the combustion chamber becomes a forward tumble swirl, and the forward tumble swirl causes a mixture of fuel and air directly injected from the fuel injection valve into the combustion chamber to swirl in a recess in the piston crown surface, thereby causing a spark plug. Is ignited.
During partial load operation of the engine , exhaust recirculation is performed as necessary to achieve both lean combustion and NOx reduction.
[0020]
That is, in the exhaust gas recirculation region during the partial load operation, the throttle valve is closed, and the exhaust gas recirculation control valve in the exhaust gas recirculation passage and the fresh air control valve in the fresh air introduction passage are both opened.
As a result, the exhaust gas recirculation gas from the exhaust gas recirculation passage and the fresh air from the fresh air introduction passage are introduced into the exhaust gas recirculation passage, and the exhaust gas recirculation gas and fresh air are introduced into the combustion chamber from the intake port.
[0021]
The intake air flow in the combustion chamber becomes a reverse tumble vortex, and the reverse tumble vortex directs a rich vaporized mixture of fuel injected directly into the combustion chamber from the fuel injection valve in the vicinity of the electrode of the ignition plug. Can be realized. Therefore, lean combustion by stratification is performed.
On the other hand, outside the exhaust gas recirculation region during the partial load operation, the throttle valve is closed, the exhaust gas recirculation control valve in the exhaust gas recirculation passage is closed, and the fresh air control valve in the fresh air introduction passage is opened.
[0022]
Thus, fresh air is introduced from the fresh air introduction passage into the exhaust gas recirculation passage, and only fresh air is introduced into the combustion chamber from the intake port.
As in the case of the exhaust gas recirculation region, the intake air flow in the combustion chamber becomes a reverse tumble vortex, and lean combustion by stratification is performed.
The invention according to claim 7 is
In a direct injection type spark ignition internal combustion engine that directly injects fuel into the combustion chamber and performs spark ignition,
An exhaust recirculation passage arranged in an upwardly convex curved shape so as to communicate the intake port and the exhaust port at an upper position thereof ,
A fresh air introduction passage communicating with the exhaust gas recirculation passage;
Is composed of
The intake port is formed in an upwardly convex curved shape,
In a predetermined operation state, the throttle valve disposed on the upstream side of the intake port is closed, and at least fresh air out of the exhaust gas recirculation gas from the exhaust port and fresh air from the fresh air introduction passage is discharged to the exhaust gas recirculation passage and the intake air. The fuel is introduced into the combustion chamber through a port, and the intake air flow in the combustion chamber forms a reverse tumble vortex in which a rich vaporized mixture of fuel directly injected from the fuel injection valve into the combustion chamber is arranged near the ignition plug. Configuration.
[0023]
【The invention's effect】
According to the invention according to claims 1 and 7 ,
With a general layout in which the communication direction of the intake port with respect to the combustion chamber is from the side of the cylinder head, it is possible to achieve both reduction in fuel consumption by lean combustion and reduction in nitrogen oxides (NOx). The problem that the overall height of the engine becomes higher is eliminated, the mountability of the engine on the vehicle is improved, and significant changes are not required for general conventional engines. it can.
[0024]
In addition, it is not necessary to arrange the intake pipe and the exhaust pipe close to each other in order to connect the intake pipe and the exhaust pipe with a short exhaust gas recirculation pipe as in the conventional case, thereby preventing the intake pipe from being heated by the heat of the exhaust. Therefore, the occurrence of a rise in the temperature of the intake air flow can be suppressed, the charging efficiency of the engine can be improved, and a higher output of the engine can be desired.
Furthermore, since the exhaust gas recirculation passage connects the exhaust port and the intake port of each cylinder to supply the exhaust gas recirculated gas to each cylinder, the distribution of the exhaust gas recirculated gas to each cylinder can be improved. .
[0025]
According to the invention according to claim 2,
The recess in the piston crown suppresses the diffusion of exhaust gas recirculated gas sucked into the combustion chamber and the mixture vaporized in the combustion chamber, and the recess allows a rich mixture gas to be emitted near the spark plug electrode before ignition. It is also effective for stratification distributed in.
According to the invention according to claim 3,
The arrangement of the fuel injector and the spark plug is more advantageous for stratification to achieve lean combustion.
[0026]
According to the invention of claim 4,
The fresh air introduction passage can be effectively formed, and the layout is excellent.
According to the invention according to claim 5,
The configuration can be simplified such that the number of the exhaust gas recirculation passage , the fresh air control valve, and the exhaust gas recirculation control valve can be reduced by half, and the manufacturing cost can be reduced.
[0027]
According to the invention according to claim 6 ,
When the engine is fully opened, the same operation performance as usual can be maintained, and when the engine is under partial load operation, lean combustion due to stratification can be achieved.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an entire four-cycle internal combustion engine which is an embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are an enlarged plan view and a longitudinal section of a cylinder portion of the engine. FIG.
[0029]
In these figures, a combustion chamber 7 is formed between the crown surface 2A of the piston 2 reciprocated in the cylinder bore 3A of the cylinder block 3, the inner peripheral surface of the cylinder bore 3A and the lower surface of the cylinder head 1. At the upper part of the cylinder head 1 , that is, at the position facing the wall surface of the cylinder head combustion chamber 7 </ b> A formed at the lower part of the cylinder head 1 , two intake ports 4 arranged in parallel and two exhaust ports 5 arranged in parallel are provided. Each intake port 4 is provided with an intake valve 13, and each exhaust port 5 is provided with an exhaust valve 14. Each intake port 4 and each exhaust port 5 are provided with an intake manifold 8 branched from a surge tank 21. The exhaust manifold 9 is connected. An intake pipe 21A is connected to an inlet of the surge tank 21, and a throttle valve 22 for controlling an intake air amount is interposed in the intake pipe 21A.
[0030]
The intake port 4, the intake manifold 8, the surge tank 21, and the intake pipe 21A constitute an intake passage, and the exhaust port 5 and the exhaust manifold 9 constitute an exhaust passage.
The direction in which the intake port 4 forming part of the intake passage and the exhaust port 5 forming part of the exhaust passage communicate with the combustion chamber 7 is set from the side of the cylinder head 1. 5 are arranged so as to extend in directions opposite to each other.
[0031]
Here, the fuel injection valve 18 is for directly injecting fuel supplied from a fuel gallery (not shown) into the combustion chamber 7, and its tip injection hole 18 a is located between the intake valve 13 and the exhaust valve 14. At a position near the valve 13, a wall of the cylinder head 1 facing the crown surface 2 </ b> A of the piston 2 of the combustion chamber 7, so as to be exposed in the combustion chamber 7, and that the center line of the fuel spray forms a predetermined angle with the cylinder center axis. That is, it is disposed on the wall of the cylinder head combustion chamber 7A.
[0032]
The spark plug 20 has the electrode 20a at its tip exposed in the combustion chamber 7 at a position between the intake valve 13 and the exhaust valve 14 and at a position near the exhaust valve 14, and the center line of the electrode 20a is aligned with the cylinder center axis. It is arranged on the wall of the cylinder head combustion chamber 7A so as to form a predetermined angle.
When the engine is in the compression stroke (near top dead center), the crown surface 2A of the piston 2 receives the fuel spray injected from the fuel injection valve 18 toward the intake side, and converts the fuel spray into the spark plug 20. It is formed in a shape facing the electrode 20a.
[0033]
More specifically, a concave portion 30 whose inner surface is concave is located on the intake side of the crown surface 2A of the piston 2 and at a position where the front end injection hole 18a of the fuel injection valve 18 and the front end electrode 20a of the ignition plug 20 face each other. 4 (A)). It should be noted that the shape of the recess 30 shown is an example, and various other shapes such as the recess 30 shown in FIG.
[0034]
Such an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine is provided with an EGR device for recirculating exhaust gas to an intake system.
The EGR device includes an EGR pipe 10 as an EGR passage communicating the intake port 4 and the exhaust port 5, and an EGR control valve 11 interposed in the EGR pipe 10.
[0035]
In this case, each of the EGR pipes 10 is disposed above the intake port 4 and the exhaust port 5 in a curved shape that is upwardly convex, and one end of the EGR pipe 10 is connected to each exhaust port 5 and the other end is connected to each intake port. 4 is communicated.
A fresh air introduction passage is connected to the downstream side of each EGR control valve 11 of each EGR pipe 10, and the fresh air control valve 16 is interposed in the fresh air introduction passage 29.
[0036]
The fresh air introduction passage 29 has a plurality of fresh air introduction pipes 29A extending parallel to the cylinder row direction of the engine at an upper position near the inlet end of the EGR pipe 10, and a plurality of branches branched from the fresh air introduction pipe 29A. And a fresh air introduction branch pipe 29B.
One end of the fresh air introduction pipe 29A is opened to the atmosphere via an air filter (not shown), and the other end is closed.
[0037]
Also, each fresh air introduction branch pipe 29B branched from the fresh air introduction pipe 29A is communicated with an upper wall of each EGR pipe 10 near the EGR control valve 11, and the fresh air introduction branch pipe 29B is connected to the fresh air control. Valves 16 are provided respectively.
With this configuration, the exhaust gas recirculation gas from the exhaust port 5 and the fresh air from the fresh air introduction pipe 29A can be introduced from the EGR pipe 10 into the combustion chamber 7 via the intake port 4. The communication port 4 </ b> A to the port 4 is provided with an exhaust valve 13, a piston 2, an exhaust valve, and an exhaust recirculation gas and fresh air flowing from the EGR pipe 10 into the combustion chamber 7 via the intake port 4. The position is set to be a reverse tumble vortex having a turning direction in the order of 14.
[0038]
Specifically, a communication port 4 </ b> A of the EGR pipe 10 to the intake port 4 is set on an upper wall of the intake port 4. Further, a communication port 5 </ b> A of the EGR pipe 10 to the exhaust port 5 is set on an upper wall of the exhaust port 5.
The opening and closing of the EGR control valve 11 and the fresh air control valve 16 at the time of opening / closing and opening are both controlled by a control signal from the control unit 15 based on the engine operating state.
[0039]
This control will be described later in the description of the operation.
Next, the operation of this embodiment will be described separately for each operating state of the engine.
When the engine is fully open (WOT)
When the engine is fully opened and the throttle valve 22 is fully opened, a large amount of intake air and a large amount of fuel are supplied, so intake air (fresh air) is introduced only from the intake manifold 8.
[0040]
That is, in FIG. 5, when the engine is fully opened, the EGR control valve 11 of the EGR pipe 10 and the fresh air control valve 16 of the fresh air introduction passage 29 are both closed by a command from the control unit 15.
As a result, the introduction of the EGR gas from the exhaust passage and the fresh air from the fresh air introduction passage 29 into the EGR pipe 10 is cut off, and fresh air 24 is introduced into the combustion chamber 7 only from the intake manifold 8 via the intake port 4. Is done.
[0041]
The supply amount of the intake air flow is controlled by controlling the opening of the throttle valve 22 by a signal from the control unit 15 based on the operating state of the engine.
The intake air flow in the combustion chamber 7 becomes a forward tumble swirl 31 in the direction indicated by the arrow in FIG. 5, and the forward tumble swirl causes the mixing of the fuel 19 and the air directly injected from the fuel injection valve 18 into the combustion chamber 7. The gas 26 turns in the recess 30 of the piston crown 2A as shown by the arrow in the figure, and is ignited by the spark plug 20.
[0042]
At the time of partial load operation of the engine At the time of partial load operation of the engine, EGR is executed in order to achieve both lean combustion and NOx reduction.
Here, in order to achieve lean combustion and NOx reduction, it is necessary to appropriately set the EGR amount.
[0043]
FIG. 8 is a graph showing the EGR supply amount at which the lean combustion and the NOx reduction are established, and shows that the deposition efficiency ηv when the engine speed is constant and the air-fuel ratio (A / F) = λ is 45%, respectively. (A)), 35% ((b) in the same figure), and 25% ((c) in the same figure) are constant, and the results of operating the engine with the fuel supply at this time fixed are shown.
The horizontal axis of each graph is the A / F, and the vertical axis is the mixture ratio (EGR rate) of the EGR gas to the intake fresh air. In each graph, line a is an EGR gas introduction limit line, line b is an amount of EGR gas required to reduce NOx by 90% or more, and line c is a line required to keep the combustion fluctuation rate within 10%. Of the EGR gas amount.
[0044]
Therefore, by performing the EGR in the region surrounded by the lines a to c of each graph, the operation state is established in which the lean combustion and the NOx reduction are established. Outside the region surrounded by the lines a to c is a region where EGR is not performed.
On the other hand, at the time of lean combustion, it is effective to form a rich mixture in the vicinity of the electrode 20a of the ignition plug 20 at the time of ignition, and to stratify the inside of the combustion chamber 7, and thereby increase the ignition stability. , The lean limit point becomes higher.
[0045]
In order to achieve stratification, it is necessary to have an intake air flow that allows an air-fuel mixture of the injected fuel to exist near the electrode 20a of the ignition plug 20 at the time of ignition. Directly hits the injected fuel, so that the injected fuel is entrapped and lean mixed, and stratification cannot be achieved.
Accordingly, in the EGR range during the partial load operation (see FIG. 8), the command from the control unit 15 causes the EGR control valve 11 of the EGR pipe 10 and the fresh air control of the fresh air introduction passage 29 as shown in FIG. Valves 16 are both opened.
[0046]
Thus, the EGR gas from the exhaust passage and the fresh air from the fresh air introduction passage 29 are introduced into the EGR pipe 10, and the EGR gas and the fresh air are introduced into the combustion chamber 7 from the intake port 4.
The supply amounts of the EGR gas and fresh air are controlled by controlling the opening of the EGR control valve 11 and the opening of the fresh air control valve 16 by a signal from the control unit 15 based on the operating state of the engine. You.
[0047]
The intake air flow in the combustion chamber 7 becomes a reverse tumble swirl 32 indicated by an arrow in the figure, and the reverse tumble swirl 32 removes the rich vaporized mixture 26 by the fuel 19 directly injected from the fuel injection valve 18 into the combustion chamber 7. Since the orientation is such that the ignition plug 20 is arranged near the electrode 20a, stratification can be realized. Therefore, lean combustion by stratification is performed.
[0048]
In FIG. 6, 25 indicates fresh air, and 27 indicates EGR gas.
On the other hand, outside the EGR range during the partial load operation (see FIG. 8), the throttle valve 22 is closed and the EGR control valve 11 of the EGR pipe 10 is closed by the command from the control unit 15, as shown in FIG. It is closed, and the fresh air control valve 16 of the fresh air introduction passage 29 is opened.
[0049]
As a result, fresh air is introduced from the fresh air introduction passage 29 into the EGR pipe 10, and only fresh air is introduced into the combustion chamber 7 from the intake port 4.
Also in this case, the supply amount of fresh air is controlled by controlling the opening degree of the fresh air control valve 16 by a signal from the control unit 15 based on the operating state of the engine.
[0050]
The intake air flow in the combustion chamber 7 becomes a reverse tumble vortex as in the case of the EGR region in FIG. 6, and lean combustion by stratification is performed.
When the engine is running at a low speed When the engine is running at a low speed, the EGR control valve 11 of the EGR pipe 10 is closed and the fresh air control valve 16 of the fresh air introduction passage 29 is opened by a command from the control unit 15.
[0051]
As a result, fresh air is introduced from the fresh air introduction passage 29 into the EGR pipe 10, and only fresh air is introduced into the combustion chamber 7 from the intake port 4.
Accordingly, stratification is similarly achieved, ignition stability is improved, and fuel efficiency is improved.
According to the embodiment described above, nitrogen oxides (NOx) can be reduced while realizing fuel consumption reduction by lean combustion, and the conventional problems can be solved as follows.
[0052]
That is, a general layout in which the communication direction of the intake port 4 with respect to the combustion chamber 7 is from the side of the cylinder head 1 can be achieved, and the problem of an increase in the overall height of the engine can be eliminated. Is improved, and significant changes are not required for general conventional engines, so that productivity can be improved.
Further, unlike the related art, in order to connect the intake pipe and the exhaust pipe with the short EGR pipe, it is not necessary to make the intake pipe and the exhaust pipe close to each other, and it is possible to prevent the intake pipe from being heated by the heat of the exhaust gas. Therefore, the occurrence of a rise in the temperature of the intake air flow can be suppressed, the charging efficiency of the engine can be improved, and a higher output of the engine can be expected.
[0053]
Furthermore, according to the above configuration, the EGR pipe 10 is used to connect the exhaust port 5 and the intake port 4 of each cylinder so that EGR gas is supplied to each cylinder. Gas distribution can be improved.
Further, since the recess 30 is provided in the piston crown surface 2A, the diffusion of the EGR gas sucked into the combustion chamber 7 and the gas mixture vaporized in the combustion chamber 7 can be suppressed. This is also effective for stratification in which a rich gas mixture is distributed in the vicinity of the electrode 20a of the ignition plug 20 before.
[0054]
In the above-described embodiment, two new air introduction branch pipes 29B branched from the new air introduction pipe 29A are provided for each cylinder, and these are connected to the two EGR pipes 10 provided for each cylinder. As shown in FIG. 9, a single EGR pipe 10A is formed by merging and integrating the base ends of two EGR pipes 10 provided for each cylinder, and a fresh air introduction pipe is provided for each cylinder. One new air introduction branch pipe 29C branching from 10 is provided, and this is connected to the junction of the single EGR pipe 10A, and the new air control valve 16 is interposed in each one new air introduction branch pipe 29C. Alternatively, the EGR control valve 11 may be interposed at the junction of the single EGR pipe 10A.
[0055]
According to such a configuration, the number of EGR pipes, fresh air control valves, and EGR control valves can be reduced by half, so that the configuration can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the same embodiment. FIG. 3 is a plan view of the entire engine of the same embodiment. FIG. 4 is a plan view showing the shape of a piston crown surface. FIG. 5 is a longitudinal sectional view for explaining the operation of the embodiment. FIG. 6 is a longitudinal sectional view for explaining the operation of the embodiment. FIG. 8 is a graph showing an EGR supply amount at which lean combustion and NOx reduction are realized. FIG. 9 is a plan view of the entire engine showing another embodiment. FIG. FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing an injection type spark ignition internal combustion engine. FIG. 11 is a plan view of the same.
Reference Signs List 1 cylinder head 2 piston 2A piston crown 3A cylinder bore 4 intake port 4A communication port 5 exhaust port 7 combustion chamber 10 EGR pipe 11 EGR control valve 13 intake valve 14 exhaust valve 15 control unit 16 fresh air control valve 18 fuel injection valve 18a injection Hole 20 Spark plug 20a Electrode 29 Fresh air inlet passage 29A Fresh air inlet tube 29B Fresh air inlet branch tube 29C Fresh air inlet branch tube 30 recess

Claims (7)

燃料噴射弁により、ピストン冠面とシリンダボア内周面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグによって火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
排気を吸気系に再循環する排気還流装置であって、各気筒毎に設けられて吸気バルブと排気バルブが夫々配設される吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、該排気還流通路に介装される排気還流制御弁と、を含んで構成される排気還流装置を備える一方、
前記吸気ポート上流側の吸気通路に介装されるスロットルバルブと、
前記排気還流通路の前記排気還流制御弁下流側に連通される新気導入通路と、
前記新気導入通路に介装される新気制御弁と、
前記スロットルバルブ、排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々制御するコントロールユニットと、
を含んで構成される一方、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状をなしつつ、シリンダヘッド側方から燃焼室に連通され、
前記コントロールユニットは、機関全開時には、前記スロットルバルブの開度を機関運転状態に応じて制御すると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁を夫々閉じて、新気を吸気通路のみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に順タンブル渦流を形成する一方、機関部分負荷運転時には、前記スロットルバルブを閉じると共に前記排気還流制御弁及び新気制御弁のうち少なくとも新気制御弁を開いて、排気通路からの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートのみを介して燃焼室に導入して燃焼室内に逆タンブル渦流を形成する制御を行う
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
In a direct injection type spark ignition internal combustion engine, a fuel injection valve directly injects fuel into a combustion chamber formed between a piston crown surface, a cylinder bore inner peripheral surface, and a cylinder head lower surface, and performs spark ignition by a spark plug. ,
A exhaust gas recirculation device for recirculating the exhaust to the intake system, to an intake port and an exhaust port an exhaust valve and an intake valve provided for each cylinder are respectively disposed through communication at its upper position, the upper An exhaust gas recirculation device that includes an exhaust gas recirculation passage disposed in a convex curved shape , and an exhaust gas recirculation control valve interposed in the exhaust gas recirculation passage;
A throttle valve interposed in the intake passage upstream of the intake port;
A fresh air introduction passage communicating with the exhaust gas recirculation passage downstream of the exhaust gas recirculation control valve;
A fresh air control valve interposed in the fresh air introduction passage;
A control unit for controlling the throttle valve, the exhaust gas recirculation control valve, and the fresh air control valve, respectively;
While comprising
The intake port communicates with the combustion chamber from the side of the cylinder head while forming an upwardly convex curved shape ,
When the engine is fully opened, the control unit controls the opening degree of the throttle valve in accordance with the operating state of the engine, closes the exhaust gas recirculation control valve and the fresh air control valve, and burns fresh air only through the intake passage. In the engine partial load operation, the throttle valve is closed, and at least one of the exhaust gas recirculation control valve and the fresh air control valve is opened to introduce the exhaust gas into the combustion chamber. At least fresh air out of the exhaust gas recirculation gas from the passage and the fresh air from the fresh air introduction passage is introduced into the combustion chamber only through the exhaust gas recirculation passage and the intake port to control the formation of a reverse tumble vortex in the combustion chamber. An in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine.
前記ピストン冠面の吸気側であって燃料噴射弁の先端噴孔と点火プラグの先端電極とが臨む位置に、凹所を形成した
ことを特徴とする請求項1記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
The in-cylinder direct injection spark according to claim 1, wherein a recess is formed on the intake side of the piston crown surface at a position where a tip injection hole of a fuel injection valve and a tip electrode of a spark plug face each other. Ignition internal combustion engine.
前記燃料噴射弁を、その先端噴孔が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該吸気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設し、
前記点火プラグを、その先端電極が吸気バルブと排気バルブ間位置で、該排気バルブ近傍位置において、燃焼室内に露出するように、燃焼室壁に配設した
ことを特徴とする請求項1又は2記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
The fuel injection valve is disposed on the combustion chamber wall such that its tip injection hole is exposed to the combustion chamber at a position between the intake valve and the exhaust valve and at a position near the intake valve.
3. The ignition plug according to claim 1, wherein the spark plug is disposed on a wall of the combustion chamber such that a tip electrode thereof is exposed to the combustion chamber at a position between the intake valve and the exhaust valve and at a position near the exhaust valve. An in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine according to claim 1.
前記新気導入通路は、前記排気還流通路の入口端部近傍の上方位置にて、機関の気筒列方向と平行に延び、一端部は大気に開放され、他端部は閉塞された新気導入管と、該新気導入管から分岐した複数の新気導入分岐管とから構成され、
各新気導入分岐管は、各排気還流通路の排気還流制御弁近傍の上部壁に連通され、
各新気導入分岐管には、前記新気制御弁が介装される
ことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
The fresh air introduction passage extends parallel to the cylinder row direction of the engine at an upper position near the inlet end of the exhaust gas recirculation passage, and has one end open to the atmosphere and the other end closed. A pipe, and a plurality of fresh air introduction branch pipes branched from the fresh air introduction pipe,
Each fresh air introduction branch pipe is communicated with an upper wall of each exhaust gas recirculation passage near the exhaust gas recirculation control valve,
The direct injection type spark ignition internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the fresh air control valve is interposed in each fresh air introduction branch pipe.
各気筒毎に設けた2つの排気還流通路の基端部を合流させて一体化して形成した単一の排気還流管を設け、
前記新気導入分岐管を、前記単一の排気還流管の前記合流部に連通し、
前記排気還流管の前記合流部に排気還流制御弁を介装し、
前記新気導入分岐管に新気制御弁を介装した構成とした
ことを特徴とする請求項4記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
A single exhaust gas recirculation pipe is formed by merging and integrating the base ends of two exhaust gas recirculation passages provided for each cylinder,
The fresh air introduction branch pipe communicates with the junction of the single exhaust gas recirculation pipe,
An exhaust gas recirculation control valve is interposed at the junction of the exhaust gas recirculation pipe,
5. The direct injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 4, wherein a fresh air control valve is interposed in the fresh air introduction branch pipe .
前記コントロールユニットは、機関部分負荷運転時において、排気還流領域では前記排気還流制御弁を開く一方、排気還流領域外では前記排気還流制御弁を閉じる制御を行う
ことを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
The control unit performs control of opening the exhaust gas recirculation control valve in an exhaust gas recirculation region and closing the exhaust gas recirculation control valve outside the exhaust gas recirculation region during engine partial load operation. Item 6. An in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine according to any one of Items 1 to 5.
燃焼室内に燃料を直接噴射して火花点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
吸気ポートと排気ポートとをその上方位置において連通すべく、上方に凸の湾曲形状をなして配設される排気還流通路と、
前記排気還流通路に連通される新気導入通路と、
を含んで構成され、
前記吸気ポートは、上方に凸の湾曲形状に形成され、
所定の運転状態時に、前記吸気ポート上流側に配設されたスロットルバルブを閉じると共に、前記排気ポートからの排気還流ガスと新気導入通路からの新気のうち少なくとも新気を排気還流通路及び吸気ポートを介して燃焼室に導入し、燃焼室内の吸気流れが、燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射された燃料による濃い気化混合気が点火プラグ近傍に配置する向きである逆タンブル渦流を形成する
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
In a direct injection type spark ignition internal combustion engine that directly injects fuel into the combustion chamber and performs spark ignition,
An exhaust recirculation passage arranged in an upwardly convex curved shape so as to communicate the intake port and the exhaust port at an upper position thereof,
A fresh air introduction passage communicating with the exhaust gas recirculation passage;
Is composed of
The intake port is formed in an upwardly convex curved shape,
In a predetermined operation state, the throttle valve disposed on the upstream side of the intake port is closed, and at least fresh air out of the exhaust gas recirculation gas from the exhaust port and fresh air from the fresh air introduction passage is discharged to the exhaust gas recirculation passage and the intake air. The fuel is introduced into the combustion chamber through a port, and the intake air flow in the combustion chamber forms a reverse tumble vortex in which a rich vaporized mixture of fuel directly injected from the fuel injection valve into the combustion chamber is arranged near the ignition plug.
An in- cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine characterized by the above-mentioned.
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