JP2004211688A - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内燃機関1の気筒2内に排気の一部のみを導入し、且つ気筒2内に導入された排気が所定の濃度分布を持つような排気の流入方向とする排気導入孔15を具備した。吸気と排気とが混ざり合いながら気筒2内に導入されるEGRとは異なり、直接気筒2内に排気を導入するため、吸気と排気が混ざり合うことが少なく、排気の濃度が濃い部分と薄い部分とができる。このように排気の濃度分布を作ることができると、混合気の着火時期や燃焼速度を意図的に変更することが可能となる。
【選択図】図1
Description
気筒内に導入された排気が所定の濃度分布を持つような排気の流入方向とする排気導入孔を具備し、該排気導入孔からは排気のみを導入することを特徴とする。
このように構成された内燃機関では、排気の一部を吸気とは別に直接気筒内に導入することができる。吸気と排気とが混ざり合いながら気筒内に導入される排気再循環(EGR)とは異なり、直接気筒内に排気を導入するため、吸気と排気が混ざり合うことが少なく、排気の濃度が濃い部分と薄い部分とができる。このように排気の濃度分布を作ることができると、混合気の着火時期や燃焼速度を意図的に変更することが可能となる。
前記運転状態検出手段の検出値に基づいて前記排気導入孔から気筒内へ流入する排気の流入方向を制御する排気流入方向制御手段と、
を具備することができる。
前記空燃比検出手段の検出値に基づいて前記排気導入孔から気筒内へ流入する排気の流入方向を制御する排気流入方向制御手段と、
を具備することができる。
本発明においては、前記導入孔から気筒内に流入する排気の温度を低下させる流入排気温度低下手段と、
前記内燃機関の運転状態により前記排気導入孔から気筒内へ流入する排気の温度を制御する流入排気温度制御手段と、
を具備することができる。
本発明においては、前記内燃機関は予混合圧縮着火内燃機関であって、過早着火が発生しない場合には、前記流入排気温度制御手段は、流入排気温度低下手段による排気温度の低下を禁止することができる。
前記流入排気速度上昇手段による流入速度の上昇度合いを前記内燃機関の運転状態に基づいて制御する流入排気速度制御手段と、
を具備することができる。
図1は、本実施の形態によるエンジンの概略構成を示す図である。
図1に示すエンジン1は、4つの気筒2を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関
である。4つの気筒2は、図の左側が1番気筒(♯1)で順に2番気筒(♯2)、3番気筒(♯3)、4番気筒(♯4)と並んでいる。
シリンダヘッド1aには、吸気ポート4及び排気ポート5が形成されており、吸気ポート4及び排気ポート5と気筒2内との境界には、上下に移動する吸気弁6及び排気弁7が備えられている。また、シリンダヘッド1aには、気筒2内に直接燃料を噴射する気筒内燃料噴射弁3が設けられている。一方、吸気ポート4には、該吸気ポート4内を流通する吸気中に燃料を噴射する吸気内燃料噴射弁8が設けられている。
また、排気枝管9と各気筒2とは、排気枝管9内を流通する排気の一部を気筒2へ再循環させる排気再循環通路(以下、EGR通路とする。)11を介して連通されている。このEGR通路11を流通する排気を以下、EGRガスと称する。EGR通路11の一端は、排気枝管9に接続され、他端は各気筒2に分岐して接続されている。また、EGR通路11は、その途中でEGRクーラ12が介在する第1EGR通路11aと、該EGRクーラ12を迂回する第2EGR通路11bと、に分岐する。前記EGRクーラ12には、エンジン1を冷却するための冷却水の一部が循環し、第1EGR通路11a内を流通するEGRガスと冷却水とで熱交換が行われ、EGRガスが冷却される。
13bが開弁されると、EGR通路11が導通状態となり、排気枝管9内を流通する排気の一部が前記EGR通路11へ流入する。第1EGR弁13aが開弁されていると、EGRガスは第1EGR通路11aを流通しEGRクーラ12を経て気筒2へ導かれる。一方、第2EGR弁13bが開弁されると、EGRガスは第2EGR通路11bを流通して高温のまま気筒2へ導かれる。第1EGR弁13a及び第2EGR弁13bの両弁が開弁されると、EGRクーラ12で冷却されたEGRガスと高温のままのEGRガスとが混ざり合う。このときの第1EGR弁13a及び第2EGR弁13bの開度を夫々調整することにより気筒2に導入されるEGRガスの温度を調整することが可能となる。ここで、EGR温度センサ14の出力信号に基づいて第1EGR弁13a及び第2EGR弁13bの開度を制御するフィードバック制御を行うことができる。
図4は、気筒壁面からのEGRガス導入方向とそのときのEGRガスの分布を示した図である。図4中、黒色で示した点がEGRガスを示し、点の大きさが大きいほどEGRガス濃度が濃い状態を示している。
通過しない高温のEGRガスを図4(B)に示すように導入する。ここで、気筒中心側で着火するときに酸素濃度が低いために着火時の圧力上昇が小さい。しかし、先に着火した中心側の燃焼ガスが気筒外周側のEGR濃度が低いガスを圧縮させるので、短期間に燃焼が終了する。これにより、燃焼騒音が低減され、また、燃焼期間が長くなることによる燃費の悪化を抑制することができる。
ところで、気筒2内の混合気が同時に着火すると気筒2内の圧力が急激に上昇し、燃焼騒音が増大する。このような場合、EGRクーラ12にて冷却されたEGRガスを気筒外周側に導入すると、圧縮上死点での混合気の温度を低下させることができ、さらに気筒中心側の温度を気筒外周側の温度よりも高くすることができる。従って、気筒中心側の混合気が先に着火し、気筒外周へ近くなるほど着火時期が遅くなる。これにより、中心部のガスは高温となり膨張し、一方で、未燃ガスが圧縮されて温度が上昇するため着火する。このように、着火時に分布を作ることができ燃焼騒音を低減することができる。例えば、低負荷時、高回転時、低温時、低過給時では、過早着火は発生しにくいので、このような条件では、気筒中心部を先に着火させることができる。
ができ、燃焼騒音を低減することができる。気筒外周側では、熱交換によりガスの温度が低下するが、酸素濃度が高いところから着火し、未燃部分が圧縮され、若しくは熱を供給されるので、温度が上昇し着火される。
このように、気筒内へのEGRガスの流入方向、EGRガス温度を制御することにより、過早着火等を抑制することが可能となる。ここで、最適となるEGRガスの導入方向及びEGRガス温度は、運転状態により異なるため、運転状態により目標となるEGRガスの導入方向及びEGRガス温度を決定し、さらに、EGRガス温度のフィードバック制御を行う。
図7は、本実施の形態によるEGRガス導入制御のフローを示したフローチャート図である。
ステップS102では、EGR導入管16の配置を変更する。EGR導入管16を図4(A)に示す位置に配置する。
Rガス温度Tegrとなるように、第1EGR弁開度EGRc及び第2EGR弁開度EGRhをフィードバック制御する。即ち、目標EGRガス温度Tegrよりも実際のEGRガス温度のほうが高い場合には、EGRガス温度を低下させるべく第1EGR弁を開弁し、第2EGR弁を閉弁する。一方、目標EGRガス温度Tegrよりも実際のEGRガス温度のほうが低い場合には、EGRガス温度を上昇させるべく第1EGR弁を閉弁し、第2EGR弁を開弁する。実際のEGRガス温度は、EGR温度センサ14の出力信号を用いる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、運転状態に基づいてEGRガスの流入方向を変更することができ、且つ、EGRガスの温度を変更することができる。これにより、気筒内でのEGRガス濃度の分布及び温度分布を作ることができ、気筒中心部での過早着火発生の抑制等の着火時期の制御、燃焼騒音の低減等を行うことができる。
本実施の形態では、吸気温度の上昇による過早着火を抑制する。
尚、本実施の形態においては、第1の実施の形態と比較して、EGR導入制御方法が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第1の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
図11は、本実施の形態によるEGRガス導入制御のフローを示したフローチャート図である。
ステップS202では、EGR導入管16の配置を変更する。EGR導入管16を図4(B)に示す位置に配置する。
図12は、EGR量と吸気温度TbとEGRガス温度Tegrとの関係を示した図であ
る。EGR量が少なくなるほど、また、吸気温度Tbが高くなるほどEGRガス温度Tegrは低くなる。このマップは、予め実験等により求めてECUに記憶させておく。このマップに基づいてEGRガス温度が算出される。
以上説明したように、本実施の形態によれば、吸気温度が上昇したときに気筒中心側へEGRガスを導入し、気筒中心側での過早着火の発生を抑制することができる。
本実施の形態では、ノック及び燃焼騒音の発生を抑制する。
尚、本実施の形態においては、第1の実施の形態と比較して、EGR導入制御方法が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第1の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
図13は、本実施の形態によるEGRガス導入制御のフローを示したフローチャート図である。
ステップS302では、EGR導入管16の配置を変更する。EGR導入管16を図4(C)若しくは(D)に示す位置に配置する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、第1空燃比センサ18aと第2空燃比センサ18bとの出力差が小さいときに図4(C)若しくは(D)に示す位置へEGRガスを導入し、気筒内の空燃比分布が不均一となるようにして、ノックを防止し若しくは燃焼騒音を低減することができる。
本実施の形態においては、前述した実施の形態と比較してEGRを供給する装置が異なる。
ここで、図17に示すエンジン1は、気筒2を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関である。
シリンダヘッド1aには、吸気ポート4及び排気ポート5が形成されており、吸気ポート4及び排気ポート5と気筒2内との境界には、上下に移動する吸気弁6及び排気弁7が備えられている。また、シリンダヘッド1aには、気筒2内に直接燃料を噴射する気筒内燃料噴射弁3が設けられている。
間である。また、EGR導入孔15は、気筒2の直径軸上であって、対称となる位置に2箇所設けられている。
膨張行程後期(図18(B)参照。)では、EGR導入孔15が開口し、EGR室100と気筒2とが連通される。このときには、既燃ガスの圧力が高いため、既燃ガスの一部がEGR室100に流入する。
なお、EGR室100から気筒2内へ導入される温度の高い既燃ガスを以下、内部EGRガスと称する。
本実施の形態は、第4の実施の形態と比較して、排気弁7の開弁時期を遅角させることにより、EGR室100に蓄えられる既燃ガスの圧力を高める点で相違する。そのため、本実施の形態におけるエンジン1では、排気弁7の開閉時期を変更可能な可変動弁機構を備えている。その他の構成については、第4の実施の形態のものと同様なので、本実施の形態では相違する点を中心に説明する。
本実施の形態は、第5の実施の形態と比較して、EGR導入孔15をピストン10により塞ぐ時期を変更することにより、気筒EGR室100に蓄える既燃ガスの圧力を変更する点で相違する。そのため、本実施の形態におけるエンジン1では、EGR導入孔15の閉じ時期を変更する機構を備えている。
燃ガスを蓄えることができる。そして、EGR導入孔15を塞ぐ時期が遅くなるほどEGR室100に蓄えられる既燃ガスの圧力が低くなっていく。このように、EGR導入孔15を閉じる時期を早めるほど、既燃ガスの圧力がより高い状態でEGR室100に蓄えられ、多くの量(質量)の既燃ガスをEGR室100に蓄えることができる。
<第7の実施の形態>
図22は、本実施の形態によるエンジンの概略構成図である。
図24は、本実施の形態によるエンジンの概略構成図である。
本実施の形態は、第4の実施の形態と異なり、EGR室100にEGR室ピストン105を備え、該EGR室ピストン105の移動によりEGR室100の容積を変更している。これにより、内部EGRガスの量を調整する。なお、EGR室ピストン105は、ECUからの信号により移動する。その他の構成については、第4の実施の形態のものと同様なので、本実施の形態では相違する点を中心に説明する。
本実施の形態では、吸気弁6の閉弁時期を進角させることにより、EGR室100から気筒2内への内部EGRガスの流入速度を高める。そのため、本実施の形態におけるエンジン1では、吸気弁6の開閉時期を変更可能な可変動弁機構を備えている。その他の構成については、第4の実施の形態のものと同様なので、本実施の形態では相違する点を中心に説明する。
弁6の閉弁時期が早くなるほど、気筒2内とEGR室100内の圧力差が大きくなり、内部EGRガスの流入速度が速くなる。これにより、そのときのエンジン1の運転状態に見合ったEGRガス分布やスワールの回転速度を得ることが可能となる。
本実施の形態は、第9の実施の形態と比較して、EGR導入孔15の開口面積を変更することにより、内部EGRガスの流入速度を変更する点で相違する。そのため、本実施の形態におけるエンジン1では、EGR導入孔15の開口面積を変更する機構を備えている。その他の構成については、前記実施の形態のものと同様なので、本実施の形態では相違する点を中心に説明する。
EGR導入孔15に開口面積可変機構106を備える点、可変動弁機構は必ずしも必要ではない点以外は第9の実施の形態によるエンジンと同様である。
また、第9の実施の形態で説明した可変動弁機構を組み合わせることにより、既燃ガスの気筒2内への流入速度をより速めることができる。
図27は、本実施の形態によるエンジンの概略構成図である。図27(A)はエンジンの横断面図、図27(B)は、切断線X−Xによりエンジンを切断したときの縦断面図で
ある。なお、前記した実施の形態と同様の構成については同じ記号を付し、説明を省略する。
図29は、本実施の形態による内部EGRガス導入制御のフローを示したフローチャート図である。
ステップS401では、エンジンの運転状態から要求されるEGR量(以下、必要内部EGR量という。)を算出する。ECUは、エンジン回転数と燃料噴射量とを読み込み、エンジン回転数、燃料噴射量、及び必要内部EGR量の関係を予めマップ化したものに代入することにより、必要内部EGR量を得る。
<第12の実施の形態>
本実施の形態では、内部EGRガスと、排気管から吸気管へ供給される排気(以下、外部EGRガスとする。)と、の混合割合をエンジンの運転状態により変更する。
図32に示すエンジン1は、4つの気筒2を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関である。
エンジン1には、排気枝管9および吸気枝管20が接続されている。また、エンジン1には、該排気枝管9内を流通する排気の一部を吸気枝管20へ再循環させる排気再循環装置22(以下、EGR装置22という。)が備えられている。このEGR装置22は、排気枝管9と吸気枝管20とを連通する排気再循環通路23(以下、EGR通路23という。)、該EGR通路23内を流通する排気(以下、外部EGRガスとする。)の流量を変更する流量調整弁24(以下、EGR弁24という。)、EGR弁24より上流側すなわち排気枝管9側でEGR通路23内を流通する外部EGRガスを冷却するEGRクーラ25を備えて構成されている。
図33は、本実施の形態による内部EGRガス及び外部EGRガスの導入制御のフローを示したフローチャート図である。
ステップS501では、圧縮上死点での気筒内の目標平均温度(以下、目標筒内平均圧縮端温度(T_TDC_ave)とする。)を算出する。ここで、図34は、エンジン回転数、燃料噴射量、目標筒内平均圧縮端温度(T_TDC_ave)の関係を示した図である。エンジン回転数が高くなるほど、また、燃料噴射量が少なくなるほど目標筒内平均圧縮端温度(T_TDC_ave)は高くなる。ECUは、エンジン回転数および燃料噴射量を図34に示すマップに代入して目標筒内平均圧縮端温度(T_TDC_ave)を得ることができる。
Tex)に温度補正係数(K_hot_egr)を加えて算出される。すなわち、気筒2から排出された既燃ガスは、排気ポートを通過して排気温度センサ26により温度が検出されるまでに、内部EGRガスよりも温度が低下する。その温度低下分を排気温度センサ26により検出される温度(Tex)に加えることにより、内部EGRガス温度(T_hot_egr)を得ることができる。すなわち、内部EGRガス温度(T_hot_egr)は、次式により算出される。
ここで、温度補正係数(K_hot_egr)は、エンジン回転数及び負荷との関係から予め実験等により求めマップ化したものを用いて得ることができる。
ここで、EGRクーラ25により低下する温度(K_cool_egr)は、エンジン回転数及び負荷との関係から予め実験等により求めマップ化したものを用いて得ることができる。
G_EGR_total=G_EGR_cool+G_EGR_cool
ここで、C_EGR_coolは内部EGRガスの比熱であり、内部EGRガス温度(T_hot_egr)の関数である。また、C_EGR_hotは外部EGRガスの比熱であり、外部EGRガス温度(T_cool_egr)の関数である。
転状態に見合ったEGRガスの供給を行うことが可能となる。
図36は、本実施の形態によるエンジンの概略構成図である。
本実施の形態では、1番気筒のEGR導入孔15と4番気筒のEGR導入孔15とを接続し、2番気筒のEGR導入孔15と3番気筒のEGR導入孔15とを接続している。そして膨張行程の気筒から吸気行程の気筒へEGRガスを直接供給する点で第1の実施の形態と相違する。その他の構成については、第1の実施の形態のものと同様なので、本実施の形態では相違する点を中心に説明する。
夫々の気筒2には、ピストン10が下死点に位置している場合に該ピストン10の上面よりも上方にあって且つ気筒2の側壁に開口するEGR導入孔15が設けられている。このEGR導入孔15は、ピストン10が上方に移動すると、該ピストン10の側面により塞がれる。また、EGR導入孔15は、各気筒2の直径軸上であって、対称となる位置に夫々2箇所設けられている。
既燃ガスを3番気筒に導入することができる。また、2番気筒が吸気下死点、3番気筒が膨張下死点のとき(図37の上から4番目の矢印(4)参照。)に第4EGR弁13dを開弁させることにより、3番気筒内の既燃ガスを2番気筒に導入することができる。
なお、本実施の形態では、4気筒のエンジンについて説明したが、他の多気筒エンジンにおいても適用することができる。この場合、吸気行程中となる気筒のEGR導入孔と膨張行程となる気筒のEGR導入孔とを接続する。
前記した実施の形態では、1気筒当たり2箇所にEGR導入孔15を設けて、EGRガスの導入は2箇所から行われていたが、これに代えて、1気筒当たり4箇所にEGR導入孔15を設けて、4箇所からEGRガスを導入しても良い。
4箇所のEGR導入孔15は、気筒中心軸で直行する2軸上に夫々設けられている。この2軸は、夫々気筒中心軸にも直行している。図16(A)から(D)に示すEGR導入管16の配置は、図4(A)から(D)のそれに夫々対応している。
1b・・・シリンダブロック
1a・・・シリンダヘッド
2・・・・気筒
3・・・・気筒内燃料噴射弁
4・・・・吸気ポート
5・・・・排気ポート
6・・・・吸気弁
7・・・・排気弁
8・・・・吸気内燃料噴射弁
9・・・・排気枝管
10・・・ピストン
11・・・EGR通路
11a・・第1EGR通路
11b・・第2EGR通路
11c・・第3EGR通路
11d・・第4EGR通路
12・・・EGRクーラ
13a・・第1EGR弁
13b・・第2EGR弁
13c・・第3EGR弁
13d・・第4EGR弁
14・・・EGR温度センサ
15・・・EGR導入孔
16・・・EGR導入管
17・・・逆止弁
18a・・第1空燃比センサ
18b・・第2空燃比センサ
19・・・ECU
20・・・吸気枝管
21・・・吸気温度センサ
22・・・排気再循環装置(EGR装置)
23・・・排気再循環通路(EGR通路)
24・・・流量調整弁(EGR弁)
25・・・EGRクーラ
26・・・排気温度センサ
27・・・クランクポジションセンサ
28・・・アクセル開度センサ
100・・EGR室
101・・閉じ時期可変機構
102・・第2EGR室
103・・第1バルブ
104・・第2バルブ
105・・EGR室ピストン
106・・開口面積可変機構
107・・EGR導入方向規制板
Claims (6)
- 気筒内に導入された排気が所定の濃度分布を持つような排気の流入方向とする排気導入孔を具備し、該排気導入孔からは排気のみを導入することを特徴とする内燃機関。
- 前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段の検出値に基づいて前記排気導入孔から気筒内へ流入する排気の流入方向を制御する排気流入方向制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。 - 気筒内の空燃比分布を検出する空燃比検出手段と、
前記空燃比検出手段の検出値に基づいて前記排気導入孔から気筒内へ流入する排気の流入方向を制御する排気流入方向制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。 - 前記導入孔から気筒内に流入する排気の温度を低下させる流入排気温度低下手段と、
前記内燃機関の運転状態により前記排気導入孔から気筒内へ流入する排気の温度を制御する流入排気温度制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の内燃機関。 - 前記内燃機関は予混合圧縮着火内燃機関であって、過早着火が発生しない場合には、前記流入排気温度制御手段は、流入排気温度低下手段による排気温度の低下を禁止することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関。
- 前記排気導入孔から気筒内に流入する排気の流入速度を上昇させる流入排気速度上昇手段と、
前記流入排気速度上昇手段による流入速度の上昇度合いを前記内燃機関の運転状態に基づいて制御する流入排気速度制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の内燃機関。
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