特許 7473057 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/40 20160101AFI20240416BHJP

   F02M 26/20 20160101ALI20240416BHJP

   F02M 26/34 20160101ALI20240416BHJP

   F02M 26/37 20160101ALI20240416BHJP

   F02M 26/35 20160101ALI20240416BHJP

   F02M 26/41 20160101ALI20240416BHJP

   F02D 21/08 20060101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

F02M26/40

F02M26/20

F02M26/34

F02M26/37 311

F02M26/35

F02M26/41 311

F02D21/08 L

F02D21/08 301C

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023088501

(22)【出願日】2023-05-30

【審査請求日】2023-05-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004222

【氏名又は名称】弁理士法人創光国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100166006

【弁理士】

【氏名又は名称】泉 通博

(74)【代理人】

【識別番号】100154070

【弁理士】

【氏名又は名称】久恒 京範

(74)【代理人】

【識別番号】100153280

【弁理士】

【氏名又は名称】寺川 賢祐

(74)【代理人】

【識別番号】100167793

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 学

(72)【発明者】

【氏名】向山 智之

【審査官】櫻田 正紀

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－３１７２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０６７１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１７４０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－０８１４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１１１６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１５２８４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ２６／４０

Ｆ０２Ｍ ２６／２０

Ｆ０２Ｍ ２６／３４

Ｆ０２Ｍ ２６／３７

Ｆ０２Ｍ ２６／３５

Ｆ０２Ｍ ２６／４１

Ｆ０２Ｄ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室から排出された排気ガスが流れる排気通路と、
前記排気通路から分岐した分岐通路に設けられ、前記排気ガスの圧力を高くする昇圧部と、
前記昇圧部で昇圧された前記排気ガスを前記燃焼室に噴射する第１噴射部と、
吸気が吸入された前記燃焼室に燃料を噴射する第２噴射部と、
を備え、
前記第１噴射部は、前記第２噴射部の前記燃料の噴射方向の上方に位置しており、鉛直下方に前記排気ガスを噴射し、
前記第１噴射部は、
前記排気ガスを前記燃焼室に導くための流路部と、
前記流路部と前記燃焼室を連通している複数の連通孔と、を有し、
前記複数の連通孔は、前記第２噴射部を囲むように設けられている、
内燃機関。

【請求項2】

前記第１噴射部は、前記第２噴射部による前記燃料の噴射中に、前記排気ガスを前記燃焼室に噴射する、
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記第１噴射部は、前記第２噴射部が噴射した前記燃料に向けて、前記排気ガスを噴射する。
請求項２に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記流路部及び前記連通孔は、前記燃焼室を覆うシリンダヘッドに設けられている、
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項5】

前記第２噴射部による前記燃料の噴射方向は、前記燃焼室の中央から放射状となっており、
前記連通孔は、前記燃料の各噴射方向において、拡散中の前記燃料へ前記排気ガスが向かう位置に設けられている、
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項6】

前記昇圧部は、前記燃焼室に吸入される吸気量に基づいて、前記排気ガスの圧力を調整する、
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項7】

前記昇圧部は、前記吸気量が多いほど前記排気ガスの圧力を高くする、
請求項６に記載の内燃機関。

【請求項8】

前記分岐通路に設けられ、前記排気ガス中のＣＯ２を分離する分離部を更に備え、
前記昇圧部は、分離されたＣＯ２の圧力を高くし、
前記第１噴射部は、昇圧された前記ＣＯ２を前記燃焼室に噴射する、
請求項１に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃焼室に排気ガスを噴射する内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

下記の特許文献１には、ＮＯｘの低減や燃費改善を実現すべく、排気ガスであるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室に供給して燃焼温度を低くするエンジンが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平５－８６９９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上記の技術では、ＥＧＲガスの供給前に燃焼室に吸入された吸気量が多いと、燃焼室内の吸気の圧力が高いため、ＥＧＲガスを燃焼室に供給できなくなるおそれがある。

【0005】

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、燃焼室に排気ガスを適切に供給することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一の態様においては、燃焼室から排出された排気ガスが流れる排気通路と、前記排気通路から分岐した分岐通路に設けられ、前記排気ガスの圧力を高くする昇圧部と、前記昇圧部で昇圧された前記排気ガスを前記燃焼室に噴射する第１噴射部と、を備える、内燃機関を提供する。

【0007】

また、吸気が吸入された前記燃焼室に燃料を噴射する第２噴射部を更に備え、前記第１噴射部は、前記第２噴射部による前記燃料の噴射中に、前記排気ガスを前記燃焼室に噴射することとしてもよい。

【0008】

また、前記第１噴射部は、前記第２噴射部が噴射した前記燃料に向けて、前記排気ガスを噴射することとしてもよい。

【0009】

また、前記第１噴射部は、前記排気ガスを前記燃焼室に導くための流路部と、前記流路部と前記燃焼室を連通している連通孔と、を有することとしてもよい。

【0010】

また、前記流路部及び前記連通孔は、前記燃焼室を覆うシリンダヘッドに設けられていることとしてもよい。

【0011】

また、吸気が吸入された前記燃焼室に燃料を噴射する第２噴射部を更に備え、前記流路部及び前記連通孔は、前記第２噴射部を囲むように設けられていることとしてもよい。

【0012】

また、前記第２噴射部による前記燃料の噴射方向は、前記燃焼室の中央から放射状となっており、前記連通孔は、前記燃料の各噴射方向において、拡散中の前記燃料へ前記排気ガスが向かう位置に設けられていることとしてもよい。

【0013】

また、前記昇圧部は、前記燃焼室に吸入される吸気量に基づいて、前記排気ガスの圧力を調整することとしてもよい。

【0014】

また、前記昇圧部は、前記吸気量が多いほど前記排気ガスの圧力を高くすることとしてもよい。

【0015】

また、前記分岐通路に設けられ、前記排気ガス中のＣＯ２を分離する分離部を更に備え、前記昇圧部は、分離されたＣＯ２の圧力を高くし、前記第１噴射部は、昇圧された前記ＣＯ２を前記燃焼室に噴射することとしてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、燃焼室に排気ガスを適切に供給できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】一の実施形態に係る内燃機関１の構成を説明するための模式図である。

【図2】導入室５７及び連通孔５８の構成説明するための図である。

【図3】ガス噴射部５６が噴射した排気ガスの燃焼室１５内の流れを説明するための模式図である。

【図4】第１変形例を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜内燃機関の構成＞
図１は、一の実施形態に係る内燃機関１の構成を説明するための模式図である。
内燃機関１は、例えば、トラック等の車両に搭載された多気筒エンジンである。図１では、説明の便宜上、一つの気筒のみが示されている。内燃機関１は、ディーゼルエンジンであるが、これに限定されず、例えばガソリンエンジンであってもよい。

【0019】

内燃機関１は、図１に示すように、エンジン本体１０と、燃料噴射部１６と、吸気通路２０と、排気通路３０と、ＥＧＲ通路４０と、ガス噴射ユニット５０と、制御部９０を有する。なお、図１では、説明の便宜上、エンジン本体１０内の吸気弁及び排気弁は省略されている。

【0020】

エンジン本体１０は、シリンダ１２と、シリンダヘッド１３と、ピストン１４を有する。シリンダ１２、シリンダヘッド１３及びピストン１４で囲まれた空間に、燃焼室１５が形成されている。エンジン本体１０は、燃焼室１５内の吸気と燃料の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。

【0021】

燃料噴射部１６は、エンジン本体１０内の燃焼室１５に燃料を噴射するインジェクタである。具体的には、燃料噴射部１６は、吸気が吸入された燃焼室１５に燃料を噴射する。燃料噴射部１６は、ここではコモンレール式燃料噴射装置である。燃料噴射部１６は、先端にノズル１７を有し、ノズル１７から燃焼室１５に燃料が噴射される。なお、ノズル１７は周方向に沿って複数あり、各ノズル１７による燃料の噴射方向は、燃焼室１５の中央から放射状となっている。

【0022】

吸気通路２０は、エンジン本体１０に吸入する吸気が流れる通路である。吸気弁２５が開状態である際に、吸気通路２０からエンジン本体１０に吸気が流入する。吸気弁２５が閉じている際には、エンジン本体１０に吸気が流入しない。吸気弁２５は、アクチュエータの動作によって開状態と閉状態の間で移動する。吸気通路２０には、吸気を過給する過給機のコンプレッサが設けられている。コンプレッサによって圧力が高くなった吸気が、エンジン本体１０の燃焼室１５に吸入される。

【0023】

排気通路３０は、エンジン本体１０から発生する排気ガスが流れる通路である。具体的には、排気通路３０は、燃焼室１５から排出された排気ガスが流れる。排気弁３５が開状態である際に、燃料室１５から排気通路３０に排気ガスが排出される。排気通路３０には、吸気通路２０に設けられた過給機のコンプレッサと連結されたタービンが設けられている。排気ガスによってタービンが回転することで、コンプレッサが吸気の圧力を高くする。

【0024】

ＥＧＲ通路４０は、排気通路３０を流れる排気ガスの一部をエンジン本体１０へ還流させる通路である。ＥＧＲ通路４０は、排気通路３０と吸気通路２０とを繋いでおり、排気ガスの一部であるＥＧＲガスがＥＧＲ通路４０を介して吸気通路２０に流れる。このため、燃焼室１５に吸入される吸気には、空気に加えてＥＧＲガスも含まれる。ＥＧＲ通路４０には、クーラー４２と、ＥＧＲ弁４３が設けられている。クーラー４２は、ＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲ弁４３は、クーラー４２の下流側に設けられた開閉可能な弁であり、ＥＧＲガスの流量を調整する。

【0025】

ガス噴射ユニット５０は、排気通路３０を流れる排気ガスを燃焼室１５に噴射するためのユニットである。ガス噴射ユニット５０は、ＥＧＲ通路４０を介さずに、排気ガスのみを燃焼室１５に噴射する。ＥＧＲガスを含む吸気を燃焼室１５に吸入する際には、吸気中の空気の量を確保するために過給圧を大きくする必要があるが、ガス噴射ユニット５０が排気ガスのみを噴射することで、吸気中の空気の量を確保しやすくなる。
また、ガス噴射ユニット５０は、燃料噴射部１６による燃料の噴射中に、排気ガスを噴射する。この場合には、噴射された排気ガスが取り込んだ空気も、噴射された燃料に取り込まれることになるため、空気と燃料を混合させやすくなる。
なお、ガス噴射ユニット５０の詳細構成については、後述する。

【0026】

制御部９０は、内燃機関１全体の動作を制御する。例えば、制御部９０は、燃料噴射部１６による燃料の噴射と、ガス噴射ユニット５０による排気ガスの噴射とを制御する。具体的には、制御部９０は、燃料噴射部１６による燃料噴射中に、ガス噴射ユニット５０による排気ガスの噴射を行わせる。制御部９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサである。制御部９０は、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって、燃料噴射部１６及びガス噴射ユニット５０の動作を制御する。

【0027】

＜ガス噴射ユニットの詳細構成＞
図１～図３を参照しながら、ガス噴射ユニット５０の詳細構成について説明する。
ガス噴射ユニット５０は、図１に示すように、分岐通路５２と、ポンプ５３と、タンク５４と、昇圧ポンプ５５と、ガス噴射部５６と、導入室５７と、連通孔５８を有する。本実施形態では、ガス噴射部５６、導入室５７及び連通孔５８が第１噴射部に該当し、燃料噴射部１６が第２噴射部に該当する。

【0028】

分岐通路５２は、図１に示すように排気通路３０から分岐した通路であり、排気通路３０を流れる排気ガスを燃焼室１５に導く。分岐通路５２は、排気通路３０とガス噴射部５６の間を接続している。分岐通路５２の排気通路３０からの分岐位置は、ＥＧＲ通路４０の排気通路３０からの分岐位置よりも、排気通路３０においてエンジン本体１０側に位置する。分岐通路５２には、ポンプ５３、タンク５４及び昇圧ポンプ５５が設けられている。

【0029】

ポンプ５３は、排気通路３０を流れる排気ガスを分岐通路５２へ導く。具体的には、ポンプ５３は、排気通路３０を流れる排気ガスの一部を吸引して、分岐通路５２の下流側へ送り出す。

【0030】

タンク５４は、分岐通路５２においてポンプ５３の下流側に設けられている。タンク５４は、ポンプ５３が送り出した排気ガスを収容する収容室である。タンク５４には、排気ガスが一次的に貯められている。

【0031】

昇圧ポンプ５５は、分岐通路５２を流れる排気ガスの圧力を高くする昇圧部の機能を有する。昇圧ポンプ５５は、タンク５４内の排気ガスを吸引して圧縮することで、排気ガスの圧力を高くする。昇圧ポンプ５５は、圧力が高くなった排気ガスを、ガス噴射部５６へ向けて送り出す。昇圧ポンプ５５は、例えば真空ポンプであるが、これに限定されない。

【0032】

昇圧ポンプ５５は、燃焼室１５に吸入される吸気量に基づいて、分岐通路５２を流れる排気ガスの圧力を調整してもよい。例えば、昇圧ポンプ５５は、燃焼室１５に吸入される吸気量が多いほど、排気ガスの圧力を高くする。具体的には、制御部９０は、燃焼室１５に吸入される吸気量を特定し、特定した吸気量に応じた圧力になるように昇圧ポンプ５５によって排気ガスの圧力を高くする。

【0033】

ガス噴射部５６は、シリンダヘッド１３に設けられている。ガス噴射部５６は、昇圧ポンプ５５で昇圧された排気ガスを燃焼室１５に噴射する。ガス噴射部５６は、先端にノズルを有し、ノズルから排気ガスを燃焼室１５に向けて噴射する。これにより、高圧の排気ガスを燃焼室１５に噴射できる。ガス噴射部５６から噴射された排気ガスは、後述する導入室５７と連通孔５８とを介して、燃焼室１５に噴射される。

【0034】

ガス噴射部５６は、燃焼室１５に吸気が吸入された後に、排気ガスを燃焼室１５に噴射する。すなわち、制御部９０は、吸気通路２０から燃焼室１５への吸気が終わると、ガス噴射部５６に排気ガスを噴射させる。具体的には、制御部９０は、吸気弁２５を開状態から閉状態へ変更すると吸気が終わったと判定し、ガス噴射部５６に排気ガスを噴射させる。燃焼室１５内の吸気量が多くても、排気ガスの圧力が高くなっているので、排気ガスが燃焼室１５に供給される。

【0035】

ガス噴射部５６は、燃料噴射部１６による燃料の噴射中に、排気ガスを燃焼室１５に噴射する。具体的には、制御部９０は、燃料噴射部１６が燃料を噴射した直後に、ガス噴射部５６に排気ガスを燃焼室１５に噴射させる。そして、制御部９０は、燃料の噴射が終了するまで、ガス噴射部５６による排気ガスの噴射を継続する。これにより、排気ガスと燃料とが混合され、燃焼温度を下げることが可能となる。

【0036】

ガス噴射部５６は、燃料噴射部１６が霧状に噴射した燃料に向けて、排気ガスを噴射する。具体的には、ガス噴射部５６は、霧状に噴射されて拡散している燃料に向けて、排気ガスを噴射する。これにより、燃焼室１５に噴射された排気ガスが、拡散中の燃料と混合しやすくなる。

【0037】

導入室５７は、燃焼室１５を覆うシリンダヘッド１３に設けられている。導入室５７は、ガス噴射部５６が噴射した排気ガスを燃焼室１５に導く機能を有する。導入室５７は、円筒状に形成されている。導入室５７は、ガス噴射部５６と連通した内部空間５７ａを有する。内部空間５７ａは、ガス噴射部５６が噴射した排気ガスが流れる流路部となっている。

【0038】

図２は、導入室５７及び連通孔５８の構成説明するための図であり、図１のＡ－Ａ方向から見た図である。導入室５７は、図２に示すように、燃料噴射部１６を囲むように設けられている。導入室５７の中央には、貫通部５７ｂが形成されており、燃料噴射部１６が貫通部５７ｂに位置している。

【0039】

連通孔５８は、導入室５７と燃焼室１５を連通している。連通孔５８は、導入室５７の内部空間５７ａの底面５７ｃに形成されている。連通孔５８は、図２に示すように、周方向において所定間隔で複数設けられている。複数の連通孔５８は、半径方向において燃料噴射部１６から等距離に位置している。すなわち、複数の連通孔５８は、燃料噴射部１６を囲む位置に設けられている。連通孔５８の直径は、ガス噴射部５６によって噴射された排気ガスが勢いよく通過できる大きさであり、燃料噴射部１６の直径よりも小さい。

【0040】

図３は、ガス噴射部５６が噴射した排気ガスの燃焼室１５内の流れを説明するための模式図である。ここでは、燃料噴射部１６から霧状に噴射される燃料の噴射方向の一つが、図３に示す矢印方向Ｆ１であるものとする。燃料噴射部１６から霧状に噴射された燃料は、燃料噴射部１６から遠ざかるにつれて拡散する。燃料噴射部１６が燃料を噴射すると、燃焼室１５内の空気が、図３の矢印Ｆ２で示すように噴射された燃料に向かって流れる。このため、燃料噴射部１６が噴射した燃料は、空気を取り込む。

【0041】

連通孔５８は、図３に示すように燃料の噴射方向の上方に位置しており、連通孔５８から矢印Ｆ３のように噴出された排気ガスは、拡散中の燃料に向かう。連通孔５８から噴出された排気ガスに、燃焼室１５内の空気が図３に示す矢印Ｆ４に示すに向かう。このため、排気ガスは、空気を巻き込みながら燃料に向かい、燃料に取り込まれる。この結果、燃料と空気の混合が促進される。

【0042】

図３では、連通孔５８が鉛直方向に排気ガスを噴射するように形成されていることとしたが、これに限定されない。例えば、連通孔５８は、排気ガスが燃料の噴射先に向かうように斜めに設けられていてもよい。この場合には、排気ガスが空気を取り込む時間が長くなるので、取り込む空気量を多くできる。

【0043】

図３に示す連通孔５８以外の連通孔５８（図２参照）も、燃料の噴射方向の上方に位置している。このように、導入室５７に形成された複数の連通孔５８の各々は、燃料の各噴射方向において、拡散中の燃料へ排気ガスが向かう位置に設けられている。このように複数の連通孔５８から排気ガスが、空気を巻き込みながら燃料に向かって噴出されることで、燃料と空気の混合がさらに促進される。

【0044】

＜変形例＞
（第１変形例）
図４は、第１変形例を説明するための模式図である。
第１変形例においては、図４に示すように、分岐通路５２に分離部６０が設けられている。分離部６０は、分岐通路５２においてポンプ５３と排気通路３０の分岐点との間に位置している。

【0045】

分離部６０は、排気ガスに含まれるＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を昇圧ポンプ５５へ向けて送り出す機能を有する。分離部６０は、排気ガスからＣＯ２を分離させる分離膜を有する。分離部６０は、分離されたＣＯ２のみを昇圧ポンプ５５へ向けて送り出し、排気ガス中のＣＯ２以外を排出通路６２に送り出す。排出通路６２は、排気通路３０と連通されており、ＣＯ２が除かれた排気ガスは排気通路３０へ流れる。

【0046】

昇圧ポンプ５５は、ＣＯ２の圧力を高くして、ガス噴射部５６に供給する。ガス噴射部５６は、昇圧されたＣＯ２を、導入室５７を介して燃焼室１５に噴射する。ガス噴射部５６は、燃料噴射部１６が燃料を噴射中に、噴射された燃料に向かってＣＯ２を噴射する。燃焼室１５にＣＯ２が噴射されることで、燃焼温度を効果的に下げることができ、ＮＯｘを効果的に抑制できる。

【0047】

（第２変形例）
第２変形例においては、第１変形例で説明した分離部６０の位置に、排気ガスを冷却するクーラーが設けられている。分岐通路５２に設けられたクーラーで冷却された排気ガスが、ガス噴射部５６に供給されることで、冷却された排気ガスが燃焼室１５に噴射されることになる。これにより、燃焼温度を下げることができる。
なお、分岐通路５２にクーラーに加えて、分離部６０が設けられていてもよい。この場合には、燃焼温度をより効果的に下げることができる。

【0048】

（第３変形例）
上記では、ガス噴射ユニット５０が、導入室５７を有することとしたが、これに限定されない。例えば、複数の連通孔５８の位置に、ガス噴射部５６が設けられていてもよい。この場合には、複数のガス噴射部５６の各々で排気ガスの噴射量を調整することができる。

【0049】

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態の内燃機関１は、排気通路３０から分岐した分岐通路５２に設けられ排気ガスの圧力を高くする昇圧ポンプ５５と、昇圧ポンプ５５で昇圧された排気ガスを燃焼室１５に噴射するガス噴射部５６とを有する。
これにより、燃焼室１５内の吸気量が多くても、圧力が高くなった排気ガスを燃焼室１５内に供給することができ、燃焼室１５内の燃焼温度を低くすることができる。また、吸気の吸入と排気ガスの噴射とを分けることで、ＥＧＲガスを含む吸気を燃焼室１５に供給する場合に比べて、過給圧を大きくしなくても吸気量を確保しやすくなる。

【0050】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

【符号の説明】

【0051】

１ 内燃機関
１５ 燃焼室
１６ 燃料噴射部
３０ 排気通路
５２ 分岐通路
５５ 昇圧ポンプ
５６ ガス噴射部
５７ 導入室
５８ 連通孔
６０ 分離部

【要約】

【課題】燃焼室に排気ガスを適切に供給する。
【解決手段】内燃機関１は、燃焼室１５から排出された排気ガスが流れる排気通路３０と、排気通路３０から分岐した分岐通路５２に設けられ、排気ガスの圧力を高くする昇圧ポンプ５５と、昇圧ポンプ５５で昇圧された排気ガスを燃焼室１５に噴射するガス噴射部５６を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】