JP2004270622A

JP2004270622A - 筒内噴射圧縮着火式エンジン

Info

Publication number: JP2004270622A
Application number: JP2003064856A
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】筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、複雑な機構を用いず、簡単な構成により、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。
【解決手段】各気筒に複数の吸気バルブ１５ａ，１５ｂを設け、これら吸気バルブ１５ａ，１５ｂ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１つを開閉する吸気遮断バルブ２１と、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１８ａにＥＧＲ通路３６の出口部を接続するＥＧＲ装置１３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】
吸気行程中に排気バルブを所定期間だけ開弁させることにより、吸排気の圧力差に基づいて排気の一部を筒内に導入する（ＥＧＲを行う）ようにしたエンジンにおいて、吸気マニホールドに接続する慣性過給管と、その吸気脈動を低減する手段と、運転状態に応じた最適なＥＧＲ率が得られるように吸気脈動の低減を制御する手段と、を備えるものが開示される（特許文献３）。
【０００５】
ＥＧＲ通路に排気脈動を利用して中高負荷時にＥＧＲを可能とするリードバルブと、低負荷時はリードバルブを無効状態に切り替える手段と、を備え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】
特開平１１−４４２２８号
【特許文献４】
特開平９−１３７７５４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、略同時に圧縮着火する。その際、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】
ＮＯｘおよびＰＭの低減に有効な予混合燃焼を成立させるのに高ＥＧＲなどの条件が望まれる。しかしながら、とくに過給エンジンの場合、吸気圧力と排気圧力との兼ね合いから、高ＥＧＲの確保が難しく、予混合燃焼に必要な着火遅れ期間を十分に稼げない。そのため、可変ノズル式ターボチャージャを用いてタービンの入口圧力をコンプレッサの出口圧力よりも高めるように可変ノズルを制御する手法も考えられるが、これだと制御機構の複雑化に留まらず、可変ノズルの絞りにより、排気圧力が上昇するので、熱効率（燃費）の悪化を招いてしまう。
【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、吸気遮断バルブの介在する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の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、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。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、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。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブの開弁期間が吸気遮断バルブの下流に当たらない吸気バルブの開弁期間よりも長く設定されることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、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。
【００１５】
第６の発明は、第５の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、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。
【００１６】
第７の発明は、第５の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、上流側の吸気通路に過給機およびその過給気を冷却する手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
第８の発明は、第１の発明に係る筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、吸気遮断バルブを高負荷高回転域のときに開弁する一方、それ以外の運転領域のときに閉弁する手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
【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、吸気遮断バルブの下流に当たらない系統の吸気バルブから空気が筒内へ吸入される一方、吸気遮断バルブの下流に当たる系統の吸気バルブからＥＧＲガスが筒内へ吸入される。そのため、熱効率（燃費）を悪化させることなく、着火遅れ期間を稼ぐのに必要な高ＥＧＲが得られやすくなる。
【００１９】
第２の発明においては、ＥＧＲガスの導入に伴う筒内の温度上昇が避けられ、着火遅れ期間を稼ぐのに高ＥＧＲが有効に生かせるようになる。
【００２０】
第３の発明においては、吸気遮断バルブの下流に当たらない系統の吸気バルブと、吸気遮断バルブの下流に当たる系統の吸気バルブと、が異なるタイミングで開閉するので、これら吸気バルブの開弁期間により、吸気遮断バルブが閉弁中の吸気量に占めるＥＧＲ量も設定しやすくなる。
【００２１】
第４の発明においては、空気の吸入期間よりもＥＧＲガスの吸入期間が長くなり、高ＥＧＲを確実に実現できる。
【００２２】
第５の発明においては、スワールにより、燃料とＥＧＲガスと空気との混合が促進され、圧縮着火前に均一な混合気を生成しえるようになる。スワールは、ＥＧＲガスによるのでなく、密度の比較的に高い空気により、効率よく生成されるのである。
【００２３】
第６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が軽減され、燃費の改善を図れるようになる。
【００２４】
第７の発明においては、低温高圧の過給気からスワールが生成され、燃料とＥＧＲガスと空気との混合気の温度が低減されるため、着火遅れ期間が長くなり、予混合燃焼が生じやすくなる。
【００２５】
第８の発明においては、高負荷高回転時に吸気遮断バルブが開弁すると、その下流に当たる吸気バルブからも空気が筒内へ吸入され、ポンピングロスも小さくなり、出力や燃費の向上が得られる。高負荷高回転時を除く運転領域においては、高ＥＧＲにより着火遅れ期間が稼げるため、熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、ＮＯｘおよびＰＭの低減に有効な予混合燃焼を実現しえるようになる。また、吸気遮断バルブの下流へＥＧＲする構成のため、熱効率（燃費）を悪化させることなく、高ＥＧＲの行える運転領域を広げられるのである。
【００２６】
【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。
【００２７】
図示しないが、燃料噴射装置については、例えば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。もちろん、ユニットインジェクタでもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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）はスワール生成の少ないストレートポート、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）はスワール生成の多いスワールポート、に形成される。
【００３１】
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。
【００３２】
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る。
【００３３】
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、筒内の温度上昇を避けられるよう、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の下流に当たる（吸気の経路に吸気遮断バルブ２１の介在する）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をエンジンＥＣＵ４５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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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の下流に当たる吸気マニホールド１８ｂ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、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。
【００３７】
吸気遮断バルブ２１が閉弁すると、分岐通路２０ｂが遮断され、エアクリーナ５０からの空気は、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へのみ供給され、吸気マニホールド１８ｂからのＥＧＲガスと一緒に筒内へ吸入される。２系統の空気経路が１系統に削減され（一方の経路を空気が流れ、他方の経路をＥＧＲガスが流れ）、吸気バルブ１５ｂが吸気バルブ１５ａに遅れて閉弁するため、ＥＧＲ量は大幅に増加する。
【００３８】
高ＥＧＲ（ＥＧＲ量の大幅な増加）は、吸気遮断バルブ２１の閉弁により、筒内への吸気抵抗（ポンピングロス）を殆ど変えることなく、もたらされるのであり、従って熱効率（燃費）の悪化を抑えつつ、燃料の着火遅れ期間を大きく稼げることになる。スワールについては、ＥＧＲガスによるのでなく、密度の比較的に高い空気（この場合、低温高圧の過給気）から生成される。そのため、高ＥＧＲにより大きく稼げる着火遅れ期間において、燃料と空気とＥＧＲガスとの混合（ミキシング）が効率よく促進され、圧縮着火前に均一な混合気を生成しやすくなり、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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。
【００４２】
高負荷高回転域においては、吸気遮断バルブ２１が開弁され、ＥＧＲ量は低減（ＥＧＲバルブ３６の開度に制御）されるが、排気温度が高いため、触媒の活性化により、ＮＯおよびＰＭの低減が促進されるのである。また、吸気遮断バルブ２１の閉弁により、空気の流れる経路と、ＥＧＲガスが流れる経路と、の２つが独立的に開成する形になり、過給圧に大きく影響されることなく、高ＥＧＲの行える運転領域Ａが広げられるのである（図４の網掛領域）。
【００４３】
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、吸気バルブ１５ａ（吸気バルブ１５ｂよりも開弁期間が短い）から筒内への吸入量が増え、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）の向上が得られるのである。
【００４４】
吸気バルブ１５ａ，１５ｂのバルブタイミングは、燃料の噴射時期にスワールを効果的に働かせるため、図７のように設定される。吸気バルブ１５については、吸気遮断バルブ２１の下流に当たる吸気バルブ１５ｂは、ピストン上死点（ＴＤＣ）前、吸気遮断バルブ２１の下流に当たらない吸気バルブ１５ａは、ピストン上死点（ＴＤＣ）後、に開弁する一方、ピストン下死点（ＢＤＣ）後に両方とも同時に閉弁する。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。
【図７】同じく給排気バルブの動作特性を表す説明図である。
【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、吸気遮断バルブの介在する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装置と、を備えることを特徴とする筒内噴射圧縮着火式エンジン。
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１に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。
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請求項１に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。
動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブの開弁期間が吸気遮断バルブの下流に当たらない吸気バルブの開弁期間よりも長く設定されることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。
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に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。
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５に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。
上流側の吸気通路に過給機およびその過給気を冷却する手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。
吸気遮断バルブを高負荷高回転域のときに開弁する一方、それ以外の運転領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に記載の筒内噴射圧縮着火式エンジン。