JP2005291210A - 内燃過給エンジンの排気ガスの再循環を制御する方法およびそのような方法を使用するエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 再循環管路およびＥＧＲバルブを不要にすることができる、排気ガスの再循環の制御方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、燃焼サイクル中に、内燃過給エンジンの少なくとも１つのシリンダ１０が吸気段階であると同時に、少なくとも１つの他のシリンダ１４が排気段階である燃焼サイクルを有し、シリンダの各々が、吸気弁２０を備えた少なくとも１つの吸気手段１８と、排気弁２６を備えた少なくとも１つの排気手段２４とを有している、排気手段に連結している排気マニフォールド３２をさらに有する内燃過給エンジンの排気ガスの一部の再循環を制御する方法に関する。本方法は、内燃過給エンジンが希薄燃料混合気で動作するときに、排気段階にあるシリンダ１４から流れて来る、マニフォールド３２内に含まれている排気ガスの一部を導入するように、吸気段階にあるシリンダ１０の排気弁２６の開きを制御することからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃過給エンジンの排気ガスの再循環を制御する方法およびそのような方法を使用するエンジンに関するものである。

本発明は、特に、エンジンが希薄燃料混合気で動作するときに排出物、特に酸化窒素（ＮＯｘ）の削減を増進させるように、そのような再循環によって動作することのできるエンジンに関する。

一例として特許文献１に示されているように、ＮＯｘの排出を削減するために排気ガスの一部をエンジンの吸気に再循環させて用いることは一般的な方法になっており、これは一般に、希薄燃料混合気で低負荷または中間負荷で動作するエンジンに必要である。実際上、吸気段階にあるシリンダ内に排気ガスを導入することには、燃料と混合できる新鮮な空気の量を減らす効果がある。これによって、燃料混合気の燃焼温度を低下させ、したがって、この燃焼によるＮＯｘの生成量を削減することができる。

一般に、この再循環は、エンジンの排気マニフォールドをエンジンの吸気マニフォールドに連結する管路と、ＥＧＲバルブ弁と呼ばれ、この管路内に配置され、かつ管路内を循環するガスの流量を調節するのを可能にするバルブとを有する、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)循環路と呼ばれる循環路によって行われる。
米国特許第３９８２３９５号明細書

この循環路は、管路およびバルブの設置に関して非常に複雑であり、追加のコストが著しく高くなり、非常に高性能なＥＧＲ弁制御手段が必要になるという欠点を有する。

エンジンの過給が用いられる構成には、上記において説明した欠点の他に、それよりもずっと大きな欠点が加わる。

すなわち、タービンの回転速度を急速に上げる必要があるとき、燃焼による排気ガスの量を多くするように、シリンダ内において、燃料の混合が層状の形態で、かつ希薄燃焼条件下で行われると、たいていは了解されている。このような混合気は大量のＮＯｘを発生させる燃焼を生じさせるため、排気ガス再循環によってこのＮＯｘ生成を最小限に抑えることが望ましい。さらに、このような層状の燃料混合気は、燃料消費量を著しく削減することも可能にする。しかし、排気ガス再循環中に、この再循環に必要な圧力条件によるポンプ現象が起こり、このようなポンプ損失によって、層状の燃料混合気に期待される燃料消費量に関する利点が著しく損なわれる。

本発明の目的は、ＮＯｘ排出量を調節できるようにするのに必要かつ十分な量の排気ガスを使用しつつ、再循環管路およびＥＧＲバルブを不要にすることを可能にする、排気ガスの再循環を制御する方法によって、上記の欠点を解消することにある。さらに、ポンプ損失をほぼ無くし、かつ燃料消費量の削減量を増大させる。

したがって、本発明は、内燃過給エンジンの少なくとも１つのシリンダが吸気段階であると同時に、少なくとも１つの他のシリンダが排気段階である燃焼サイクルを有し、各々のシリンダが、吸気弁を備えた少なくとも１つの吸気手段と、排気弁を備えた少なくとも１つの排気手段とを有している内燃過給エンジンであって、内燃過給エンジンは排気手段に連結している排気マニフォールドをさらに有している、内燃過給エンジンの排気ガスの一部の再循環を制御する方法において、内燃過給エンジンが希薄燃料混合気で動作するときに、排気段階にあるシリンダから流れて来る、マニフォールド内に含まれている排気ガスの一部を導入するように、吸気段階にあるシリンダの排気弁の開きを制御することからなることを特徴とする、内燃過給エンジンの排気ガスの一部の再循環を制御する方法に関する。

有利に、本方法は、吸気段階にあるシリンダの排気弁の開きを、排気段階にあるシリンダの排気弁の開きと実質的に同時に制御することからなっていてもよい。

また、この制御方法は、吸気段階にあるシリンダの吸気弁の開きを、シリンダの排気弁の閉じと実質的に同時に制御することからなっていてもよい。

あるいは、本方法は、吸気段階にあるシリンダの吸気弁の開きを、シリンダの排気弁の開きと実質的に同時に制御することからなっていてもよい。

本発明はまた、各シリンダが、吸気弁を備えた少なくとも１つの吸気手段と、排気弁を備えた少なくとも１つの排気手段と、シリンダの排気手段に連結しているマニフォールドとを有している内燃過給エンジンにおいて、排気段階にある少なくとも１つのシリンダから流れて来る、マニフォールド内に含まれている排気ガスの一部が、吸気段階にあるシリンダ内に導入されるように、吸気段階にある少なくとも１つのシリンダの排気弁の開きを制御するように排気弁を制御する手段を有することを特徴とする内燃過給エンジンに関する。

制御手段は排気弁のリフトローを変更する手段を有していてもよい。

リフトロー変更手段はＶＶＴ型またはＶＶＬ型の制御装置を有していてもよい。

内燃エンジンが、ターボ過給機が吸気段階にあるシリンダ内に吸気過給を行う過給エンジンである場合には、ターボ過給機は単一の入口を有していてもよい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照しながら、非制限的な例として述べられている以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。

図１における、特に直接燃料噴射式の内燃過給エンジンは、少なくとも４つのシリンダ１０，１２，１４，１６または４の倍数のシリンダを有している。各シリンダは、吸気弁２０と吸気管２２を備えた少なくとも１つの吸気手段１８と、排気弁２６と排気管２８を備えた少なくとも１つの排気手段２４とを有している。吸気マニフォールド３０は、排気管２８が排気マニフォールド３２に対して開いている間、吸気管２２同士を互いに接続させる。この排気マニフォールドは、ターボ過給機３８のタービン３６の単一の入口に管路３４によって連結されている。このタービンは、このターボ過給機の圧縮段４０にシャフトによって連結されている。したがって、この圧縮段は、当該技術分野で公知のように、そこに取り込まれた大気を圧縮し、その大気を圧縮状態で管路４２を通して吸気マニフォールド３０内に分配する。

排気弁２６の開閉は、これらの弁のリフトローを、互いに関係なく、特にそれらの弁の開閉時に変更するのを可能にする、ＶＶＴ（可変弁タイミング）またはＶＶＬ（可変弁リフト）として知られているような手段４４によって制御される。同様に、吸気弁２０は、やはりこれらの弁のリフトローを変更するのを可能にする手段４６によって制御することができ、好ましくは、ＶＶＴ型またはＶＶＬ型の制御手段が使用される。手段４４および４６は、エンジン速度やエンジン負荷などのエンジン動作状態に応じて弁のリフトローを変更するのを可能にする制御ユニット４８によって駆動される。

当該技術分野で知られているように、これらのシリンダは、このようなエンジンが通常備えているクランクシャフト（不図示）のクランクピンに連結されたコネクティングロッド５２によって、下死点（ＢＤＣ）と呼ばれる下側の位置と上死点（ＴＤＣ）と呼ばれる上側の位置との間を、逆方向に、往復並進運動するピストン５０を有している。このシリンダは、ピストンの上面とシリンダの上面とによって形成される燃焼室５４も有している。燃焼室５４内で燃料混合気を生成するのを可能にするすべての燃料噴射手段（不図示）、および、この燃料混合気を燃焼させる、火花点火エンジンの場合には火花点火のような、この混合気用の任意の点火手段と同様に、吸気手段１８と排気手段２４は、この燃焼室（図２および３）内に通じている。

本発明に関して説明しているこの例では、エンジンは、シリンダ１０が、ピストン５０がそのＴＤＣの近傍からそのＢＤＣの近傍まで移動する吸気段階にあり、同時に、シリンダ１２が圧縮段階にあり、シリンダ１４が、ピストンがそのＢＤＣの近傍からそのＴＤＣの近傍まで移動する排気段階にあり、最後のシリンダ（シリンダ１６）が膨張段階にある燃焼サイクルで、所定のクランクシャフト位置で動作するとみなされ、このサイクルは一般に１，４，３，２と呼ばれている。

同じ所定のクランクシャフト位置におけるシリンダ１４および１０の構成を示す図２および３では、シリンダ１４が、ピストン５０がその下死点（ＢＤＣ）の近傍にある排気段階にある一方、シリンダ１０は、ピストン５０がその上死点（ＴＤＣ）の近傍にある吸気段階にある。シリンダ１４の燃焼室５４内の圧力Ｐeは、膨張段階の終了時の排気ガスの圧力、すなわち５バール（０．５ＭＰａ）程度に相当し、シリンダ１０の燃焼室５４内の圧力Ｐadmはこの排気圧力よりもずっと低い。

したがって、低負荷または中間負荷で動作するエンジンの場合であって、タービン速度を上昇させることが望ましい場合、たいていはこのエンジンに組み合わされているエンジンコンピュータは、希薄混合気を得るのに必要な燃料噴射パラメータおよび吸気パラメータを求める。このエンジンコンピュータはまた、ＮＯｘ排出量を最小限に抑えるために、吸気段階にあるシリンダ１０の燃焼室５４内における排気ガスの再循環を実現させるための指示を制御ユニット４８に送信する。

したがって、排気段階にあるシリンダ１４からの排気ガスの一部は、排気マニフォールドを介して使用され、吸気段階にあるシリンダ１０内に噴射される。より正確には、燃焼室５４から排気弁２６を通して流れて来る排気ガスは、排気マニフォールド３２内に排出され、次に、マニフォールド内に含まれているこのガスの一部が、シリンダ１０の排気弁２６の開きを制御することによって、吸気段階にあるシリンダ１０の燃焼室５４内に供給される。ガスの残りの部分は、管路３４を介してターボ過給機３８のタービン３６に排出される。

このような再循環を実現させるために、制御ユニット４８は、シリンダ１４の弁２６の開きが、ガスを排気マニフォールド３２の方へ排出するように制御され、かつ、シリンダ１０の排気弁２６の開きが、排気弁２６が所定の時間にわたって開位置に維持され、排気マニフォールド３２に存在する排気ガスの一部がシリンダ１０の燃焼室５４内に供給されるように制御されるように、制御手段４４が排気弁２６を作動させるように制御手段４４を動作させる。この量の排気ガスが導入されると、手段４４は、シリンダ１０の弁２６の閉じを制御し、シリンダ１４の弁２６を、排気段階の実質的に終了時まで、すなわちシリンダ１４のピストン５０の上死点の近くまで開け続ける。

シリンダ１０の弁２６を閉じた後、制御手段４６は、このシリンダの燃焼室５４内に過給空気を導入するように、吸気段階にあるシリンダの吸気弁２０を作動させる。

もちろん、本発明の範囲から逸脱せずに、吸気段階にあるシリンダ１０の吸気弁２０と排気弁２６を同時に開いて、燃焼室内に均質な混合気を生成させることが可能である。これは、燃焼室５４内の圧力Ｐadmが、マニフォールドに含まれている排気ガスの、シリンダ１４から流れて来るガスの圧力Ｐeよりわずかに高い圧力より低いために可能である。

排気ガスの再循環が不要であり、特に燃料混合気が理論条件下にある場合、手段４４および４６は、弁２０および２６の開閉を従来の方法で作動させるか、または、本出願人によって出願された仏国特許出願第０３／１４９６７号明細書に詳しく記載されているように、残留燃焼ガスの掃気を可能にする。

この構成によって、再循環に必要な量を除くほぼすべての排気ガスがタービンを駆動するのに使用される。さらに、この再循環に特別な構成は不要であり、エンジンに一般に存在する構成部材のみが使用される。

本発明は、記載された実施例に限られず、すべての均等物または変形物を含む。

特に、上記の説明は、過給を行うか否かとは無関係に、間接噴射エンジン、特に火花点火エンジンに適用されると共に、過給を行うか否かとは無関係に、直接噴射エンジンに適用される。

本発明による４気筒過給エンジンを示す図である。 図１のエンジンの排気段階にあるシリンダの部分断面図（ＡＡに沿った断面）である。 図１のエンジンの吸気段階にある他のシリンダの部分断面図（ＢＢに沿った断面）である。

符号の説明

１０，１２，１４，１６ シリンダ
１８ 吸気手段
２０ 吸気弁
２２ 吸気管
２４ 排気手段
２６ 排気弁
２８ 排気管
３０ 吸気マニフォールド
３２ 排気マニフォールド
３４，４２ 管路
３６ タービン
３８ ターボ過給機
４０ 圧縮段
４４，４６ 制御手段
４８ 制御ユニット
５０ ピストン
５２ コネクティングロッド
５４ 燃焼室

Claims (8)

1. 内燃過給エンジンの少なくとも１つのシリンダ（１０）が吸気段階であると同時に、少なくとも１つの他のシリンダ（１４）が排気段階である燃焼サイクルを有し、各々のシリンダが、吸気弁（２０）を備えた少なくとも１つの吸気手段（１８）と、排気弁（２６）を備えた少なくとも１つの排気手段（２４）とを有している内燃過給エンジンであって、該内燃過給エンジンは前記排気手段に連結している排気マニフォールド（３２）をさらに有している、内燃過給エンジンの排気ガスの一部の再循環を制御する方法において、
   前記内燃過給エンジンが希薄燃料混合気で動作するときに、前記排気段階にある前記シリンダ（１４）から流れて来る、前記マニフォールド（３２）内に含まれている前記排気ガスの一部を導入するように、前記吸気段階にある前記シリンダ（１０）の前記排気弁（２６）の開きを制御することからなることを特徴とする、内燃過給エンジンの排気ガスの一部の再循環を制御する方法。
2. 前記吸気段階にある前記シリンダの前記排気弁（２６）の開きを、前記排気段階にある前記シリンダ（１４）の前記排気弁（２６）の開きと実質的に同時に制御することからなる、請求項１に記載の方法。
3. 前記吸気段階にある前記シリンダ（１０）の前記吸気弁（２０）の開きを、前記シリンダ（１０）の前記排気弁（２６）の閉じと実質的に同時に制御することからなる、請求項１また２に記載の方法。
4. 前記吸気段階にある前記シリンダ（１０）の前記吸気弁（２０）の開きを、前記シリンダ（１０）の前記排気弁（２６）の開きと実質的に同時に制御することからなる、請求項１または２に記載の方法。
5. 各シリンダ（１０，１２，１４，１６）が、吸気弁（２０）を備えた少なくとも１つの吸気手段（１８）と、排気弁（２８）を備えた少なくとも１つの排気手段（２４）と、前記シリンダの前記排気手段に連結しているマニフォールド（３２）とを有している内燃過給エンジンにおいて、
   前記排気段階にある少なくとも１つのシリンダ（１４）から流れて来る、前記マニフォールド内に含まれている排気ガスの一部が、前記吸気段階にある前記シリンダ（１０）内に導入されるように、前記吸気段階にある少なくとも１つの前記シリンダ（１０）の前記排気弁（２６）の開きを制御するように前記排気弁（２６）を制御する手段（４４）を有することを特徴とする内燃過給エンジン。
6. 前記制御手段（４４）は前記排気弁（２６）のリフトローを変更する手段を有している、請求項５に記載の内燃過給エンジン。
7. 前記リフトロー変更手段（４４）はＶＶＴ型またはＶＶＬ型の制御装置を有している、請求項６に記載の内燃過給エンジン。
8. ターボ過給機（３８）が、前記吸気段階にある前記シリンダ（１０）内に吸気過給を行い、前記ターボ過給機（３８）は単一の入口を有している、請求項５から７のいずれか１項に記載の内燃過給エンジン。
   
   
   

Images