JP2004270621A

JP2004270621A - エンジンの吸気系装置

Info

Publication number: JP2004270621A
Application number: JP2003064852A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nakamura; 秀一中村
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、ＮＯｘおよびＰＭの排出量を低減するのに有効な触媒の活性化を促進しえる手段を提供する。また、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、ＮＯｘおよびＰＭの排出量を低減するのに有効な予混合燃焼を実現しえる手段を提供する。
【解決手段】筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置において、各気筒に複数の吸気バルブ１５ａ，１５ｂを設け、これら吸気バル１５ａ，１５ｂブに対応する系統別の吸気ポート１７ａ，１７ｂおよび吸気マニホールド１８ａ，１８ｂと、上流側の吸気通路１９を各マニホールド１８ａ，１８ｂにそれぞれ接続する分岐通路２０ａ，２０ｂと、これら分岐通路２０ａ，２０ｂの少なくとも１つを開閉する吸気遮断バルブ２１と、系統別の吸気バルブ１５ａ，１５ｂを異なるタイミングで開閉する動弁機構（カムシャフト４２，４３）と、を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置に関する。詳しくは、エンジンの排気通路から放出される排気中のＮＯｘ量やＰＭ量を低減するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
過給機を備えるエンジンの動弁機構において、吸気バルブの閉弁時期を遅く制御することにより、有効膨張比を有効圧縮比（実圧縮比）よりも高めつつ、有効圧縮比の低下を低温高圧の過給気で補うことにより、耐ノック性を高めるようにしたものが開示される（特許文献１）。
【０００３】
気筒毎に１対（２個）の吸気バルブを備えるエンジンにおいて、１対の吸気バルブを開閉する動弁機構にこれら吸気バルブの開閉作動態様を運転状態に応じて変化（低速時に一方の吸気バルブを休止）させる機構を付加したものが開示される（特許文献２）。
【０００４】
ディーゼルエンジンにおいて、予混合燃焼速度を適正範囲に調整するよう、ＮＯｘセンサの検出信号と予め設定の目標濃度との偏差に基づいて、燃焼速度に影響する要因（圧縮比、ＥＧＲ、吸気量、など）を制御するものが開示される（特許文献３）。
【０００５】
筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、適正な予混合燃焼を実現すべく、筒内温度を最適に制御するため、燃焼室に可変容積室を設けるものが開示される（特許文献４）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２６４７８２号
【特許文献２】
特開平７−３１０５１５号
【特許文献３】
特開２００１−１５２８５３号
【特許文献４】
特開平１１−１０７７９２号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンに代表される、筒内噴射圧縮着火エンジンにおいては、一般に拡散燃焼主体の燃焼が行われる。燃料は、圧縮行程のピストン上死点（ＴＤＣ）付近において、高温の筒内へ噴射され、圧縮着火するようになるが、その際にＮＯｘやＰＭを発生しやすく、これらの排出量を低減するため、希薄予混合燃焼が有望視されるのである。
【０００８】
その一方、ＮＯｘおよびＰＭの排出量を低減するため、触媒により後処理することも考えられる。運転状態によっては、触媒の活性化に排気温度を高めるべく、燃料の後噴射や吸気絞り等が行われるが、これらによると、熱効率（燃費）の悪化を招いてしまう。ＮＯｘおよびＰＭの低減に有望な予混合燃焼についても、これを成立させるのに低圧縮，高ＥＧＲ，高スワールなどの条件が望まれるが、これら条件のいずれも、熱効率（燃費）を悪化させる要因となるのである。
【０００９】
この発明は、このような不具合を解決するための有効な手段の提供を目的とする。具体的には、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、ＮＯｘおよびＰＭの排出量を低減するのに有効な触媒の活性化を促進しえる手段の提供を目的とする。また、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、ＮＯｘおよびＰＭの排出量を低減に有効な予混合燃焼を実現しえる手段の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置において、各気筒に複数の吸気バルブを設け、これら吸気バルブに対応する系統別の吸気ポートおよび吸気マニホールドと、上流側の吸気通路を各マニホールドのそれぞれ接続する分岐通路と、これら分岐通路の少なくとも１つを開閉する吸気遮断バルブと、系統別の吸気バルブを異なるタイミングで開閉する動弁機構と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明に係るエンジンの吸気系装置において、動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブについて、ピストン下死点後に閉弁させる一方、それ以外の吸気バルブについては、ピストン下死点前に閉弁させるべく設定されることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明に係るエンジンの吸気系装置において、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気ポートは、スワールの少ないストレートポートまたはスパイラルポート、それ以外の吸気ポートについては、スワールの高いスワールポートまたはタンジェンシャルポート、に設定されることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明に係るエンジンの吸気系装置において、スワールポートの吸気バルブは、ストレートポートの吸気バルブよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定されることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明〜第４の発明の何れか１つに係るエンジンの吸気系装置において、吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない系統の吸気マニホールドにＥＧＲ通路の出口部を接続するＥＧＲ装置を備えることを特徴とする。
【００１５】
第６の発明は、第５の発明に係るエンジンの吸気系装置において、ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを備えることを特徴とする。
【００１６】
第７の発明は、第１の発明〜第６の発明の何れか１つに係るエンジンの吸気系装置において、吸気遮断バルブを少なくとも低負荷低回転域のときに閉弁する手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】
第１の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない吸気バルブからの吸気が筒内へ吸入されるのみになり、閉弁が遅い方の吸気バルブへの吸気の供給が遮断される場合、筒内への吸気量が低減されることになる。吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により異なるタイミングで開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減される。そのため、ポンピングロスを小さく抑えつつ、吸気量の低減により、排気温度が高められ、触媒の活性化を促進できるほか、筒内の酸素量も低減するので、適正な予混合燃焼に必要な着火遅れ期間が稼げるようになる。しかも、吸気絞り（スロットル）のみで吸気量を低減する場合に較べると、ポンピングロスが少なく、熱効率（燃費）の悪化が抑えられるのである。
【００１８】
第２の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ピストン上死点後に閉弁する吸気バルブへの吸気の供給が遮断され、吸気はピストン上死点前に閉弁する吸気バルブから吸入されるのみになる。そのため、機械的な膨張比を変えることなく、実圧縮比を下げられるので、適正な予混合燃焼を実現しやすくなる。しかも、吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、実圧縮比の低下が図れることになる。
【００１９】
第３の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ストレートポートの吸気バルブへの吸気の供給が遮断され、吸気はスワールポートの吸気バルブから吸入されるのみになる。そのため、適正な予混合燃焼に必要なスワール比が得られるようになる。しかも、吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、スワール比の最適化により、燃料と空気との均一な混合が図れることになる。
【００２０】
第４の発明においては、スワールの生成に伴うポンピングロスも軽減され、熱効率（燃費）の悪化が抑えられる。
【００２１】
第５の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ＥＧＲ通路の出口部が接続する系統の吸気バルブから吸気が筒内へ吸入されるのみになり、吸気量に占めるＥＧＲ量が相対的に増加する。吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、適正な予混合燃焼に必要なＥＧＲ量が得られるようになる。
【００２２】
第６の発明においては、ＥＧＲガスにより、筒内温度が高くなるのが防げるため、適正な予混合燃焼を実現しやすくなる。
【００２３】
第７の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、着火遅れが大きくなるよう、吸気量または／および圧縮比または／およびスワール比または／およびＥＧＲ量が調整される。このため、少なくとも低負荷低回転において、吸気遮断バルブが閉弁すると、その間はＮＯｘやＰＭの低減に有効な予混合燃焼主体の燃焼を生じさせることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１，図２において、１０はエンジン（ディーゼルエンジン）であり、吸気通路１１および排気通路１２と、吸気系へ排気の一部を環流させるＥＧＲ装置１３と、などを備える。気筒毎に吸気バルブ１５および排気バルブ１６が１対（２個）ずつ配置される。
【００２５】
図示しないが、燃料噴射装置については、コモンレール式が採用され、気筒毎に燃料噴射弁（インジェクタ）が配置される。インジェクタは、コモンレール（蓄圧室）に接続され、後述するエンジンＥＣＵ４５の制御に基づいてコモンレールの蓄える高圧燃料を燃焼室へ噴射する。
【００２６】
吸気通路１１は、各気筒の吸気バルブ１５ａ，１５ｂ毎に対応する吸気ポート１７ａ，１７ｂと、系統別に配置される吸気マニホールド１８ａ，１８ｂと、が備えられる。１９は上流側の吸気管であり、その下流側に各マニホールド１８ａ，１８ｂに接続する分岐通路２０ａ，２０ｂが形成され、図示の場合、吸気管１９から下流側が２系統の吸気経路に分岐される。５０はエアクリーナである。
【００２７】
２つの分岐通路２０ａ，２０ｂの一方にこれを開閉する吸気遮断バルブ２１が設けられる。吸気遮断バルブ２１は、弁体２１ａ（バタフライバルブ）と、その開閉を駆動するアクチュエータ２１ｂと、からなり、アクチュエータ２１ｂのＯＮ（伸作動）により、バタフライバルブ２１ａが閉弁（分岐通路２０ｂを全閉する位置へ回動）する一方、アクチュエータ２１ｂのＯＦＦ（縮作動）により、バタフライバルブ２１ａが開弁（分岐通路２０ｂを全開する位置へ回動）する。
【００２８】
各気筒の２系統の吸気ポート１７について、その一方（吸気遮断バルブ２１の下流に当たる吸気ポート１７ｂ）はストレートポート、もう一方は（吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない吸気ポート１７ａ）はスワールポート、に形成される。
【００２９】
排気通路１２は、排気マニホールド２５が１つであり、各気筒の排気ポート２６において、その上流側が１対の排気バルブ１６ａ，１６ｂへの分岐部に形成される。２７はマニホールド２５に接続する排気管であり、ＮＯｘおよびＰＭを後処理するため、触媒２８がマフラ２９の上流に配置される。
【００３０】
３０はターボチャージャであり、タービン３０ａとコンプレッサ３０ｂとからなり、タービン３０ａが排気の熱エネルギで回転すると、これと同軸に連結するコンプレッサ３０ｂが駆動され、各気筒への吸気を過給する。３１は過給気を冷却するインタクーラであり、後述する実圧縮比の低下を低温高圧の過給気で補うことにより、出力向上と燃費改善を図れるようになる。
【００３１】
ＥＧＲ装置１３は、吸気通路１１と排気通路１２を連絡するＥＧＲ通路３５と、ＥＧＲ率を制御するＥＧＲバルブ３６と、を備えるものであり、筒内温度の上昇原因とならないよう、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３７が介装される。ＥＧＲ通路３５の入口は、排気マニホールド２５の集合部（分岐管３８の合流部）に接続される一方、同じく出口については、２つの吸気マニホールド１８ａ，１８ｂのうち、吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない（吸気の経路に吸気遮断バルブ２１の介在しない）系統の吸気マニホールド１８ｂの集合部（分岐管３９の合流部）に接続される。４０はＥＧＲバルブ３６をＥＣＵの指令に応じた開度（ＥＧＲ率）に調整するアクチュエータである。
【００３２】
図２において、１対の吸気バルブ１５ａ，１５ｂを異なるタイミングで開閉するのがカムシャフト４２，４３（動弁機構の一部を構成する）であり、これらカムシャフト４２，４３はギヤまたはチェーンを介してクランクシャフトに連結され、クランクシャフトが２回転する間に１回転する。１対の排気バルブ１６ａ，１６ｂは、図示しないカムシャフト（クランクシャフトにより、カムシャフト４２，４３と同様に駆動される）により、同一のタイミングで開閉する。
【００３３】
吸気バルブ１５ａ，１５ｂおよび排気バルブ１６ａ，１６ｂに係るカムプロフィルは、図３のようなバルブタイミングに設定される。図示の場合、吸気バルブ１５については、ピストン上死点（ＴＤＣ）前に両方とも同時に開弁する一方、吸気遮断バルブ２１の下流に当たる吸気バルブ１５ｂは、ピストン下死点（ＢＤＣ）後、吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない吸気バルブ１５ａは、ピストン下死点（ＢＤＣ）前、に閉弁する。排気バルブ１６は、ピストン下死点（ＢＤＣ）前に開弁する一方、ピストン上死点（ＴＤＣ）後に閉弁するのである。
【００３４】
吸気遮断バルブ２１が開弁状態のときは、２系統の吸気経路から各気筒へ吸気が供給される。ＥＧＲ量は、バルブ３６の開度に応じたＥＧＲ率に制御され、吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない吸気マニホールド１８ａへ供給される。吸気は、両方の吸気ポート１７ａ，１７ｂを流れるので、スワール比は低めに抑えられながら、両方の吸気バルブ１５ａ，１５ｂから吸入され、吸気バルブ１５ｂが遅れて閉弁するまでの間、筒内に充填されるのである。燃料噴射時期が圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近に制御されると、拡散燃焼主体の燃焼になり、ターボチャージャの過給効果により、高負荷高回転域において、出力や燃費を十分に確保できるようになる。
【００３５】
吸気遮断バルブ２１が閉弁すると、その下流の吸気の流れが遮断され、吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない吸気マニホールド１８ａから各気筒へ吸気が供給されるのみになる。ＥＧＲ量は、バルブ３６の開度に応じたＥＧＲ率に制御され、吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない吸気マニホールド１８ａへ供給されるが、２系統の吸気経路が１系統に削減されるため、吸気量に占めるＥＧＲ量は相対的に増加する。吸気は、スワールポート１７ａから吸気バルブ１５ａを介して筒内へ吸入されるのみとなり、ストレートポート１７ｂを経由しないため、スワール比も高められる。スワールポート１７ａの吸気バルブ１５ａは、閉弁時期が早いため、筒内の吸気量が低減され、実圧縮比（有効圧縮比）が下がるのである。
【００３６】
吸気の供給が遮断されるストレートポート１７ｂの吸気バルブ１５ｂについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減される。そのため、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、燃料の着火遅れ期間を稼げるようになる。着火遅れ期間は、実圧縮比の低下およびＥＧＲ量の増加により、大きく稼げるのであり、スワール比も高められ、その間に燃料と空気との混合（ミキシング）が促進されるので、低負荷低回転域など（高出力が要求される高負荷高回転域を除く運転領域）において、ＮＯｘやＰＭの低減に有効な予混合燃焼主体の燃焼を生じさせることが可能となるのである。
【００３７】
このように適正な予混合燃焼の成立に必要な低圧縮比または／および高スワールまたは／および高ＥＧＲが得られるのであり、これらを得るのに吸気遮断バルブ２１を閉弁するのみで良く、複雑な機構（可変バルブタイミング機構や可変スワール機構など）も要らない。また、吸気遮断バルブ２１の閉弁により、吸気量が低減されるので、吸気絞り（スロットル）のみで吸気量を低減する場合に較べると、ポンピングロスが少なく、従って熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、排気温度を高められ、触媒２８の活性化も促進できる。
【００３８】
図４は、吸気遮断バルブ２１の制御特性を説明するものであり、エンジン回転速度Ｎとエンジン負荷Ｌ（アクセル開度）をパラメータに低負荷低回転域（高負荷高回転域を除く運転領域Ａ）において、分岐通路２０ｂを閉弁する一方、それ以外の運転領域において、分岐通路２１ｂを開弁する、制御特性に設定される。この制御特性は、エンジンＥＣＵ４５に格納される。
【００３９】
ＥＣＵ４５は、燃料噴射を制御する機能のほか、吸気遮断バルブ２１およびＥＧＲバルブ３６を制御する機能を備える。これらの制御に必要な検出手段に運転状態を代表する、エンジン回転速度およびエンジン負荷（アクセル開度）を検出するエンジン回転センサ４６およびアクセル開度センサ４７が設けられる（図１、参照）。
【００４０】
図５は、吸気遮断バルブ２１を制御する機能を説明する流れ図であり、Ｓ１においては、エンジン回転センサ４６の検出信号およびアクセル開度センサ４７の検出信号を読み込む。Ｓ２においては、これらの検出値から図４の制御特性に基づいて運転状態が領域Ａかどうかを判定する。Ｓ２の判定がｙｅｓのときは、Ｓ３において、吸気遮断バルブ２１を閉弁する一方、Ｓ２の判定がｎｏのときは、Ｓ４において、吸気遮断バルブ２１を開弁するのである。
【００４１】
図６は、別の実施形態を表すものであり、スワールポート１７ａの径がストレートポート１７ｂの径よりも大きく形成される。つまり、スワールポート１７ａの吸気バルブ１５ａは、ストレートポート１７ｂの吸気バルブ１５ｂよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定される。これにより、吸気遮断バルブ２１が閉弁する運転領域Ａにおいて、スワールの生成に伴うポンピングロスも軽減され、熱効率（燃費）の悪化を抑える面で有利となる。図６において、図１と同一の手段に同一の符号を付け、重複説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表すシステムの概要構成図である。
【図２】同じく一部の構成図である。
【図３】同じく給排気バルブの動作特性を表す説明図である。
【図４】同じく吸気遮断バルブの制御特性を表す説明図である。
【図５】同じくＥＣＵの制御内容を説明する流れ図である。
【図６】別の実施形態を表すシステムの概要構成図である。
【符号の説明】
１０エンジン
１１吸気通路
１２排気通路
１３ＥＧＲ装置
１５（１５ａ，１５ｂ）吸気バルブ
１６（１６ａ，１６ｂ）排気バルブ
１７（１７ａ，１７ｂ）吸気ポート
１８ａ，１８ｂ吸気マニホールド
２０ａ，２０ｂ分岐通路
２１吸気遮断バルブ
２５排気マニホールド
２６排気ポート
２８触媒
３６ＥＧＲバルブ
３７ＥＧＲクーラ
４２吸気バルブのカムシャフト
４３排気バルブのカムシャフト
４５エンジンＥＣＵ
４６エンジン回転センサ
４７アクセル開度センサ

Claims

筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、各気筒に複数の吸気バルブを設け、これら吸気バルブに対応する系統別の吸気ポートおよび吸気マニホールドと、上流側の吸気通路を各マニホールドにそれぞれ接続する分岐通路と、これら分岐通路の少なくとも１つを開閉する吸気遮断バルブと、系統別の吸気バルブを異なるタイミングで開閉する動弁機構と、を備えることを特徴とするエンジンの吸気系装置。
動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブについて、ピストン下死点後に閉弁させる一方、それ以外の吸気バルブについては、ピストン下死点前に閉弁させるべく設定されることを特徴とする請求項１の記載に係るエンジンの吸気系装置。
吸気遮断バルブの下流に当たる吸気ポートは、ストレートポート、それ以外の吸気ポートについては、スワールポート、に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１つの記載に係るエンジンの吸気系装置。
スワールポートの吸気バルブは、ストレートポートの吸気バルブよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定されることを特徴とする請求項３の記載に係るエンジンの吸気系装置。
吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない系統の吸気マニホールドにＥＧＲ通路の出口部を接続するＥＧＲ装置を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つの記載に係るエンジンの吸気系装置。
ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを備えることを特徴とする請求項５の記載に係るエンジンの吸気系装置。
吸気遮断バルブを低負荷低回転域のときに閉弁する手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１つの記載に係るエンジンの吸気系装置。