JP2005299473A - 内部ｅｇｒシステムを備えた４サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 排気弁の開閉タイミングと吸気弁の開閉タイミングとを制御することによりＥＧＲガスの吸気通路側への流入を容易化するとともにＥＧＲ量を自在に調整可能とした内部ＥＧＲシステムを備えたエンジンを提供する。
【解決手段】 燃焼ガスの一部を吸気に混入して燃焼室に還流する排気再循環システム（ＥＧＲ）を備えた４サイクルエンジンにおいて、排気弁の位相を変化させる排気弁位相可変手段と、該排気弁位相可変手段を制御して吸気弁の開弁時期に対して排気弁の閉弁時期を変化せしめるコントローラとを備え、前記排気弁の閉弁時期近傍に前記吸気弁を開弁して燃焼室内の燃焼ガスの一部を該吸気弁を介して吸気通路に流入可能に構成されてなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として４サイクルディーゼルエンジンに適用され、燃焼ガスの一部を吸気に混入して燃焼室に還流する排気再循環システム（ＥＧＲシステム）であって、内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジンに関する。

図９及び図１０にはディーゼルエンジンの排気再循環システム（ＥＧＲシステム）の二つの例が示されている。
図９のＥＧＲシステムにおいて、１００はエンジン、１０１は排気タービン１０３及びコンプレッサ１０２からなる過給機、１１２は該エンジン１００の排気出口と過給機１０１の排気タービン１０３とを接続する排気管、１１１は前記過給機１０１のコンプレッサ１０２とエンジン１００の吸気入口とを接続する吸気管、１０５は前記コンプレッサ１０２で加圧、昇温された空気を冷却する吸気冷却器、１０４は前記エンジン１００への吸気量を制御するスロットル弁である。

１１０は前記排気管１１２と吸気管とを接続して排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気管１１１内に流すためのＥＧＲ通路（排気再循環通路）、１０８は該ＥＧＲ通路１１０のＥＧＲガス通路面積を制御するＥＧＲ弁、１０６は該ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ、１０７は前記吸気管１１１側に向かうＥＧＲガスの流れのみを許容する逆止弁である。２００は前記スロットル弁１０４の開度及びＥＧＲ弁の開度を制御するコントローラである。

図１０のＥＧＲシステムにおいては、過給機１０１の空気入口側にＥＧＲシステムを
設置している。
即ち図１０において、１１０は前記過給機１０１の排気タービン１０３出口の排気管１１５とコンプレッサ１０２入口の吸気管１１６とを接続して排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気管１１６内に流すためのＥＧＲ通路（排気再循環通路）である。その他の構成は図９の例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
この例では、エンジン１００の全運転域でＥＧＲ率を高くできるが、過給機１０１のコンプレッサ１０２及び吸気冷却器１０５にもＥＧＲガスが流れるので、コンプレッサ１０２及び吸気冷却器１０５に耐熱性、耐腐食性材料を用いる必要があり、コスト高となるという課題を有している。

また、特許文献１（特開２０００−１９９４４０号公報）に開示されている技術においては、成層燃焼時において必要量の再循環排気ガスの一部分を気筒内へ導入するために、排気弁を吸気行程の中期以降に開弁させる排気弁開弁手段と、成層燃焼時において必要量の再循環排気ガスの残り部分を気筒内へ導入するために、吸気弁の開弁時期の進角及び排気弁の閉弁時期の遅角の少なくとも一方を実施する可変動弁手段とを具備し、成層燃焼時において多量の排気ガスを再循環させることによりＮＯｘ発生量の大幅な低減を可能とするとともに、着火性及び初期燃焼の改善を可能としている。

特開２０００−１９９４４０号公報

図９のＥＧＲシステムにあっては、過給機１０１のコンプレッサ１０２にはＥＧＲガスは流れず、空気のみ流れるので、従来の過給機１０１をそのまま流用してＥＧＲシステムを構成できるが、高負荷域でＥＧＲ率を高くするにはスロットル弁１０４を絞って吸気圧力を低下させる必要があり、エンジンの熱効率が低下するという問題点を有している。
また、図１０のＥＧＲシステムにあっては、エンジン１００の全運転域でＥＧＲ率を高くできるが、過給機１０１のコンプレッサ１０２及び吸気冷却器１０５にもＥＧＲガスが流れるので、コンプレッサ１０２及び吸気冷却器１０５に耐熱性、耐腐食性材料を用いる必要があり、コスト高となるという問題点を有している。

さらに特許文献１の技術にあっては、成層燃焼時において必要量の再循環排気ガスの一部分を気筒内へ導入するために排気弁を吸気行程の中期以降に開弁させ、また成層燃焼時において必要量の再循環排気ガスの残り部分を気筒内へ導入するために吸気弁の開弁時期の進角及び排気弁の閉弁時期の遅角の少なくとも一方を実施して、いわゆる内部ＥＧＲを実現しているにとどまり、排気弁の開閉タイミングと吸気弁の開閉タイミングとを制御してＥＧＲガスの吸気通路側への流入を容易化するとともにＥＧＲ量を自在に調整可能とする手段はなされていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、排気弁の開閉タイミングと吸気弁の開閉タイミングとを制御することによりＥＧＲガスの吸気通路側への流入を容易化するとともに、ＥＧＲ量を自在に調整可能とした内部ＥＧＲシステムを備えたエンジンを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、燃焼ガスの一部を吸気に混入して燃焼室に還流する排気再循環システム（ＥＧＲ）を備えた４サイクルエンジンにおいて、排気弁の位相を変化させる排気弁位相可変手段と、該排気弁位相可変手段を制御して吸気弁の開弁時期に対して排気弁の閉弁時期を変化せしめるコントローラとを備え、前記排気弁の閉弁時期近傍に前記吸気弁を開弁して燃焼室内の燃焼ガスの一部を該吸気弁を介して吸気通路に流入可能に構成されてなることを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは、前記コントローラは、前記吸気弁の開弁時期に対して排気弁の位相の進角を大きくするに従い前記燃焼室内の燃焼ガスの前記吸気通路への流入量を増加せしめるように構成されてなる。

かかる発明によれば、コントローラにより排気弁位相可変手段を操作し、該排気弁位相可変手段により排気カムリフトのクランク角位相を進角あるいは遅角することにより、排気弁の閉弁時期を変化させ、該排気弁の閉弁時期と吸気弁の開弁時期との時間差を変化させる。
即ち、前記コントローラにより前記排気弁位相可変手段を介して、排気弁の位相を進角させて圧縮上死点近傍において排気弁の閉弁後を含む閉弁近傍に吸気弁が開弁するように制御すれば、排気弁の閉弁近傍において筒内圧力が高まっている状態で吸気弁が開くので、燃焼室内の燃焼ガスが吸気弁を通って吸気通路に逆流して吸気と混合された後、該吸気と燃焼ガスとの混合ガスつまりＥＧＲガスが、吸気行程でピストンの下降とともに燃焼室内に導入される。

従ってかかる発明によれば、排気弁の位相を進角あるいは遅角することにより、排気弁の閉弁時期と吸気弁の開弁時期との時間差を変化させるのみで、ＥＧＲ作用をなさしめることが可能となるとともに、前記時間差を変化させることにより吸気弁を通って吸気通路に逆流して吸気と混合される燃焼ガスの量つまりＥＧＲ量を調整することが可能となる。これにより、従来技術のようにＥＧＲ管やＥＧＲ弁等の各別な設備を不要とし、簡単で低コストの構造で以ってＥＧＲによるＮＯｘ低減を実現できる。

また、かかる発明において、前記吸気弁のリフト形状を次のように構成するのが好ましい。
前記吸気弁を開閉する吸気カムを、吸気弁の開弁から一定範囲が小リフトのプレリフト部と、最大リフトを含む大リフト部との２段リフトに形成する。
このように構成すれば、排気弁が閉弁近傍で吸気弁が開弁する際の吸気弁のリフトがプレリフト部の小リフトとなるのでＥＧＲ量は適正量を保持でき、吸気弁開弁時に多量の燃焼ガスが吸気通路内に逆流してＥＧＲ量が過大となってエンジン性能を阻害するのを防止できる。
そして前記２段リフトの具体的構成としては、次のように形成するのが望ましい。
（１）前記プレリフト部を吸気弁の開弁後一定リフトに形成されてから前記大リフト部に連なるように構成して、プレリフト部から大リフト部に滑らかに移行する。
（２）前記プレリフト部がエンジンの圧縮上死点前になるように形成して、圧縮上死点における吸気弁の燃焼室内への突き出し量を小さくし該吸気弁とピストンとの干渉を回避する。
（３）前記プレリフト部のリフト量を変化可能に構成することにより、ＥＧＲ量をエンジン運転条件等により自在に調整可能とする。

本発明によれば、排気弁の位相を進角あるいは遅角することにより、排気弁の閉弁時期と吸気弁の開弁時期との時間差を変化させるのみでＥＧＲ作用をなさしめることが可能となるとともに、前記時間差を変化させることにより吸気弁を通って吸気通路に逆流して吸気と混合される燃焼ガスの量つまりＥＧＲ量を調整することが可能となる。これにより、従来技術のようにＥＧＲ管やＥＧＲ弁等の各別な設備を不要とし、簡単で低コストの構造で以ってＥＧＲによるＮＯｘ低減を実現できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係る４サイクルディーゼルエンジンの排気弁及び吸気弁の弁リフト線図である。図２は第２実施例を示す図１対応図、図３は第３実施例を示す図１対応図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は前記実施例における制御ブロック図である。図５は前記実施例における排気弁及び吸気弁の開閉タイミングの説明図である。図６は前記実施例に係る４サイクルディーゼルエンジンの作動を示す説明図である。図７は前記実施例における吸気カムのプロフィールを示す概略正面図である。図８は排気弁位相可変システムの要部側面図である。

本発明に係る４サイクルディーゼルエンジンの作動を示す図６において、１００はエンジン（ディーゼルエンジン）、２はピストン、７はシリンダ、１は該シリンダ７内部に形成された燃焼室、５は吸気通路、３は該吸気通路５を開閉する吸気弁、６は排気通路、４は該排気通路６を開閉する排気弁であり、かかるエンジン１００の構成自体は通常の４サイクルディーゼルエンジンと同様である。
本発明は、かかるエンジン１００の内部ＥＧＲシステムに係るものである。
本発明に係る吸気カム８のプロフィールは、図７に示されるように、基礎円８ａの外周に、開弁側に小リフトのプレリフト部８ｃを形成し、該プレリフト部８ｃに大リフト部８ｂが連設された２段リフトに形成されている。矢印はカムの回転方向である。
また、図８は本発明に係る排気弁位相可変システムの概要を示し、３１はカム軸、９は該カム軸３１に形成された排気カム、３３は前記カム軸３１に固定されたカムギヤであり、前記カムギヤ３３がエンジン１００のクランク軸の２回転に１回の割合で回転せしめられ、該排気カム９がリフトして、図示しないロッカーアームを介して排気弁４（図６参照）を開閉駆動するようになっている。

３２は排気弁位相可変システムで、前記カムギヤ３３側つまりクランク軸側と排気カム９側との間の回転方向相対変位を変化させて、該カムギヤ３３側の回転角と排気カム９側の回転角との間に位相を形成し、排気カムリフトのクランク角位相を進角あるいは遅角することにより、排気弁４（図６参照）の閉弁時期を変化させ、該排気弁４の閉弁時期と吸気弁３（図６参照）の開弁時期との時間差を変化させるようになっている。
かかる排気弁位相可変システム３２の構成自体は公知であるので、詳細な説明は省略する。

次に、図６に基づき本発明に係る内部ＥＧＲシステムの動作を説明する。
図６（Ａ）に示す排気行程においては、ピストン２が上昇を始めるとともに排気弁４が開き、燃焼室１内の燃焼ガスは該排気弁４から、Ｇ_１矢印のように、排気通路６に排出される。
次いで、図６（Ｂ）のように排気弁４の閉弁近傍で、吸気弁３が小リフトのプレリフト部８ｃ（図７参照）において開弁すると、排気弁４が閉弁近傍にあって燃焼室１内の圧力が吸気通路５内の圧力よりも高くなっているので、燃焼室１内の燃焼ガスの一部が、Ｇ_２矢印のように、吸気通路５内に逆流する。

さらに図６（Ｃ）のようにピストン２が下降するとともに、吸気弁３が吸気カム８の大リフト部８ｂ（図７参照）により開度を増加すると、Ｇ_３矢印のように、吸気通路５内の吸気が燃焼室１内に導入される。このとき吸気通路５内に逆流していた燃焼ガスの一部が吸気（新気）とともに燃焼室１内に還流して来るので、実質的なＥＧＲつまり排気通路６を介さない内部ＥＧＲがなされる。

次に、図４に示す制御ブロック図に基づき、本発明に係る内部ＥＧＲシステムの制御動作について説明する。
１０はエンジン１００の回転数（エンジン回転数）を検出する回転数検出器、１１はエンジン１００の負荷（エンジン負荷）を検出する負荷検出器、２０は前記排気弁位相可変システム３２を後述する手順で制御するＥＧＲコントローラである。前記回転数検出器１０からのエンジン回転数の検出値及び前記負荷検出器１１からのエンジン負荷の検出値は、ＥＧＲコントローラ２０のＥＧＲ量算出部２１に入力される。

２２はＥＧＲ量設定部で、前記エンジン回転数及び／またはエンジン負荷に対応するＥＧＲ率（ＥＧＲ量の割合）が設定されている。即ち該ＥＧＲ量設定部２２においては、図４（Ｂ）に示すように、エンジン負荷が低負荷になる（あるいはエンジン回転数が低回転数になる）に従いＥＧＲ率を増加するように設定されている。
前記ＥＧＲ量算出部２１においては、前記ＥＧＲ量設定部２２から、前記エンジン回転数の検出値及びエンジン負荷の検出値に対応するＥＧＲ率を算出し、排気弁位相変化量算出部２４に入力する。

２３は排気弁位相設定部で、図４（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ率に対応する排気弁位相変化量つまり後述するような排気弁リフトの回転方向位相の変化量との関係、あるいは前記エンジン回転数及び／またはエンジン負荷に対応する排気弁位相変化量が設定されている。即ち該排気弁位相設定部２３においては、図４（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ率に比例して前記排気弁位相変化量を増減し、エンジン負荷が低負荷になる（あるいはエンジン回転数が低回転数になる）に従い排気弁位相変化量が増加するように設定されている。

前記排気弁位相変化量算出部２４においては、前記ＥＧＲ量算出部２１からのエンジン回転数の検出値及びエンジン負荷の検出値に対応するＥＧＲ率の算出値に対応する排気弁位相変化量を前記排気弁位相設定部２３から算出（選出）して、前記排気弁位相可変システム３２を該位相変化量だけ駆動する。これにより排気カムの回転角（つまりクランク角）に対して前記排気弁４のリフトは該位相変化量だけ開閉時期が移動せしめられる。

図１に示す第１実施例においては、前記のようなＥＧＲコントローラ２０の制御による排気弁位相可変システム３２（図８参照）の作動によって、排気弁リフトを図のＥ_ａからＥ_ｂ→Ｅ_ｃのように進角させていくと、排気弁４の閉弁時期がθ_２１からθ_２２→θ_２３のように、吸気弁３の開弁時期θ_２１に対して早まる。
図５（Ａ）、（Ｂ）は前記排気弁４と吸気弁３のクランク角の進角あるいは遅角とＥＧＲ率との関係を示しており、図に示されるように、ＥＧＲ率を増加するには排気弁４及び吸気弁３を進角させ、ＥＧＲ率を減少するには排気弁４及び吸気弁３を遅角する。また、ＥＧＲ率を中間値に保持するには、排気弁４及び吸気弁３の何れか一方を進角し他方を一定にする。

従って、かかる実施例によれば、ＥＧＲコントローラ２０により排気弁位相可変システム３２を操作し、該排気弁位相可変システム３２により排気カムリフトのクランク角位相を進角あるいは遅角することにより、排気弁４の閉弁時期を変化させて該排気弁４の閉弁時期と吸気弁３の開弁時期との時間差を変化させることにより、排気弁４の位相を進角させて圧縮上死点近傍において排気弁４の閉弁近傍において吸気弁３が開弁するように制御すれば、前記のように、排気弁４の閉弁近傍において筒内圧力が高まっている状態で吸気弁３が開くので、燃焼室１内の燃焼ガスが吸気弁３を通って吸気通路に逆流して吸気と混合された後、該吸気と燃焼ガスとの混合ガスつまりＥＧＲガスが吸気行程でピストンの下降とともに燃焼室内に導入されて、内部ＥＧＲを行うことができる。

従ってかかる実施例によれば、排気弁４の位相を進角あるいは遅角することにより、該排気弁４の閉弁時期と吸気弁３の開弁時期との時間差を変化させるのみでＥＧＲ作用をなさしめることが可能となるとともに、前記時間差を変化させることにより吸気弁３を通って吸気通路５に逆流して吸気と混合される燃焼ガスの量つまりＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整することが可能となる。これにより、従来技術のようにＥＧＲ管やＥＧＲ弁等の各別な設備を不要とし、簡単な構造で以ってＥＧＲによるＮＯｘ低減を実現できる。

また、前記吸気弁３のリフト形状を、図７のように、前記吸気弁３を開閉する吸気カム８を該吸気弁３の開弁から一定範囲が小リフトのプレリフト部８ｃ及び最大リフトを含む大リフト８ｂ部の２段リフトが滑らかに連続した形状に形成したことにより、排気弁４の閉弁近傍で吸気弁３が開弁する際の該吸気弁３のリフトがプレリフト部８ｃの小リフトＩｐとなるのでＥＧＲ量を適正量に保持でき、該吸気弁３開弁時に多量の燃焼ガスが吸気通路５内に逆流してＥＧＲ量が過大となってエンジン性能を阻害するのを防止できる。
また、前記プレリフト部８ｃを吸気弁３の開弁後一定リフトに形成してから前記大リフト部８ｂに連なるように構成したので、前記吸気弁３の小リフトＩ_ｐから大リフトＩ_０に滑らかに移行できる。

図２に示す第２実施例においては、前記吸気カム８のプレリフト部８ｃを、該プレリフト部８ｃに対応する吸気弁３の小リフトＩ_ｐがエンジンの圧縮上死点（ＴＤＣ）前に形成され、該圧縮上死点で一旦リフト０（ゼロ）としてから、大リフトＩ_０に移行するように構成している。
このように構成すれば、前記圧縮上死点における吸気弁３の燃焼室１内への突き出し量を小さくできて、該吸気弁３とピストン２との干渉を回避できる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材あるいは要素は同一の符号で示す。

図３に示す第３実施例においては、前記吸気カム８のプレリフト部８ｃを、該プレリフト部８ｃに対応する吸気弁３の小リフトＩ_ｐのリフト量を変化可能に、つまりリフト曲線を変化可能に構成している。即ち、前記排気弁リフトを図のＥ_ａからＥ_ｂ→Ｅ_ｃのように進角させていくに従い、小リフトＩ_ｐのリフト曲線を図の矢印のように大きくすることにより吸気弁３の通路面積を大きくしてＥＧＲ量を増加する。
これにより、ＥＧＲ量をエンジン運転条件等により自在に調整可能となって、ＥＧＲを全く必要としない運転条件でのエンジン性能の低下を回避できる。
前記リフト曲線の変化は、例えばロッカーアームのロッカー軸を偏心軸に構成して該偏心軸を回転させてリフト調整をすることにより行う。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材あるいは要素は同一の符号で示す。

本発明によれば、排気弁の開閉タイミングと吸気弁の開閉タイミングとを制御することによりＥＧＲガスの吸気通路側への流入を容易化でき、さらにはＥＧＲ量を自在に調整可能とした内部ＥＧＲシステムを備えたエンジンを提供できる。

本発明の第１実施例に係る４サイクルディーゼルエンジンの排気弁及び吸気弁の弁リフト線図である。 第２実施例を示す図１対応図である。 第３実施例を示す図１対応図である。 （Ａ）、（Ｂ）は前記実施例における制御ブロック図及び設定線図である。 前記実施例における排気弁及び吸気弁の開閉タイミングの説明図である。 前記実施例に係る４サイクルディーゼルエンジンの作動を示す説明図である。 前記実施例における吸気カムのプロフィールを示す概略正面図である。 排気弁位相可変システムの要部側面図である。 従来技術の第１例を示す系統図である。 従来技術の第２例を示す系統図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ ピストン
３ 吸気弁
４ 排気弁
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ シリンダ
８ 吸気カム
８ｂ 大リフト部
８ｃ プレリフト部
９ 排気カム
１０ 回転数検出器
１１ 負荷検出器
３１ カム軸
３２ 排気弁位相可変システム
１００ エンジン（ディーゼルエンジン）

Claims (6)

1. 燃焼ガスの一部を吸気に混入して燃焼室に還流する排気再循環システム（ＥＧＲ）を備えた４サイクルエンジンにおいて、排気弁の位相を変化させる排気弁位相可変手段と、該排気弁位相可変手段を制御して吸気弁の開弁時期に対して排気弁の閉弁時期を変化せしめるコントローラとを備え、前記排気弁の閉弁時期近傍に前記吸気弁を開弁して燃焼室内の燃焼ガスの一部を該吸気弁を介して吸気通路に流入可能に構成されてなることを特徴とする内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジン。
2. 前記コントローラは、前記吸気弁の開弁時期に対して排気弁の位相の進角を大きくするに従い前記燃焼室内の燃焼ガスの前記吸気通路への流入量を増加せしめるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジン。
3. 前記吸気弁を開閉する吸気カムを、吸気弁の開弁から一定範囲が小リフトのプレリフト部と、最大リフトを含む大リフト部との２段リフトに形成したことを特徴とする請求項１記載の内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジン。
4. 前記プレリフト部が吸気弁の開弁後一定リフトに形成されてから前記大リフト部に連なるように構成されてなることを特徴とする請求項３記載の内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジン。
5. 前記プレリフト部がエンジンの上死点前に形成されてなることを特徴とする請求項３記載の内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジン。
6. 前記プレリフト部のリフト量を変化可能に構成したことを特徴とする請求項３記載の内部ＥＧＲシステムを備えた４サイクルエンジン。

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