JP2010007655A - スロットルバルブと容積型電動ブロアによる並列した吸気量制御機構を持ち、双方に独立した吸気バルブを持つ４サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ポンピングロスが少なく、低燃費で低速トルクが強く、高出力な４サイクルエンジンを安価に実現する。
【解決手段】電子制御スロットルバルブと、正確に回転数を制御できるモーターにより駆動される容積型電動ブロアによる、二つの並列した吸気量制御機構を持つ４サイクルエンジンにおいて、それぞれに独立した給気バルブあるいは吸気ポート（ロータリーエンジンの場合）を持たせ、バルブタイミングを最適化し、燃料噴射を電動ブロア側吸気通路から、あるいはシリンダー内直噴で行い、ＥＧＲをスロットルバルブ側吸気通路から行うことで、ポンピングロスが少なく、低燃費で低速トルクが強く高回転時に大きな出力を持つ４サイクルエンジンを実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火式エンジンの構造の改良に関するものである。

特願 ２００８−２１９１５ 「ポンピングロスの少ない火花点火エンジン」に示されるように容積型電動ブロアとＥＧＲ量制御装置を組み合わせることにより、ポンピングロスを大幅に減少させることが可能である。また、ポンピングロスが元々少ない高負荷領域では吸気量制御をスロットルバルブでも行うことにより電動ブロアが小型化、低容量化できることも示されている。

ポンピングロスは、ＥＧＲを加えることで低減させることが出来ることは知られていたが、ＥＧＲを多くしすぎると安定したエンジンの運転が行えず、ＥＧＲ量に制限があった。また、吸気バルブのタイミングとリフト量を可変することでも、ポンピングロスを減らすことは可能だが、それには非常に精密で複雑高価な機構が必要だった。

本発明では上記発明の改良により、安価に、かつ更なる燃上と出力を向上させることを課題とする。

発明を解決する手段

電子制御スロットルバルブと、正確に回転数を制御できるモーターにより駆動される容積型電動ブロア（ルーツブロア等）による、並列した空気吸気量制御機構を持たせ、それぞれの吸気量制御機構を通る吸気通路ごとに独立した吸気バルブを設置し、燃料噴射装置により電動ブロア側吸気通路内に噴射、あるいはシリンダー内直噴で燃料供給を行い、スロットルバルブ側吸気通路にＥＧＲを行うことで、目的を果たす。

発明の効果

ポンピングロスは吸気管内の圧力を１気圧に近づけることで低減できる、ただしこれを空気を多くすることで行うと空燃比が狂ってしまうので、酸素を含まず燃焼に無関係なＥＧＲガスを加えることでポンピングロスを低減できることは知られていた。
しかし、ＥＧＲを加えることで吸気管内の圧力を１気圧に近づけると、ピストンの引き下げによるシリンダー内への空気の吸入は不確定になり、安定したエンジン回転は不可能になるので、あまり多量のＥＧＲは行えず、ポンピングロスの低減に限界があった。
本発明では、容積型電動ブロアの回転数を精密に制御することにより、現在のエンジン回転数において運転者の求めるエンジン出力を発生するのに必要な空気をシリンダー内に供給し、それに合わせた燃料を噴射することで最適な空燃比の混合気をシリンダー内に必要量確保し、それにＥＧＲを加えることで部分負荷時のポンピングロスを減らしながら、安定したエンジン回転を可能とした。
また、電動ブロア側吸気路を通ってきた燃料を含む空気（混合気）と、スロットルバルブ側吸気路を通る空気だけの吸気を行う、２つの吸気バルブをタイミングをずらして開閉することでエンジンの安定した運転を行うことを可能とする。具体的にはスロットルバルブ側のバルブの開く吸気タイミングを排気バルブの閉じるタイミングとのオーバーラップを大きくすることで高回転時の出力を上げることが出来る。
しかし、一般的なエンジンでは高回転を求めてオーバーラップを大きくしすぎると、空気の吹き抜けが大きくなり、低回転時の混合気の充填率が下がり、燃費の悪化と低速トルクの減少という問題が発生する。
本発明では、スロットルバルブ側の吸気には燃料が含まれていないので、オーバーラップを大きく取ることが可能で、吹き抜けがあっても燃料ロスは発生しない。電動ブロア側の給気バルブは吹き抜けの発生しないタイミングで開くことでムダの無い燃料の供給を行うことが可能である。ブロアで給気するので、ピストンが下死点を少し過ぎても充填できるのでブロア側の吸気バルブの閉じタイミングを遅めにすることで空気の充填率を上げ低速トルクを確保することが出来る。
つまり燃料をムダにすることなく、低速トルクの確保と高速時の出力向上を両立できることになる。
現行の４サイクルエンジンは殆どがマルチバルブなので、後は必要な性能を持つ容積型電動ブロアを加えるだけで、非常に安価にエンジンの燃費性能向上を実現できる

本発明の実施形態の構成を説明する。

例えば、排気量３リトルの４サイクルエンジンが毎分７０００回転するとき、一秒あたり１７５リットルの空気を吸い込むことになるが、電動ブロアだけで給気するとしたら、ブロアが大型となり駆動電力もそれだけ必要となる。
実施例では、例えば２０００回転まで電動ブロアが吸気を受け持ち、それ以上はスロットルバルブによる吸気を併用するものとして説明する（どの回転数までブロアを使うかは、個々のエンジンの設計により異なる）。
上記の場合は、ブロアの必要空気供給量は毎秒５０リットルですむこととなり、それだけ電動ブロアが小型軽量となり駆動電力も減らすことが出来る。
電子制御スロットルを持つ一般的なエンジンと同様な各種センサ以外に、気温、気圧、ＲＧＲ流量センサを持たせることで、必要空気質量が得られるようにブロアの回転数を補正し、ＥＧＲ流量センサで最適なＥＧＲガスを加えることでより正確な制御が可能になる。エンジンの出力は供給される空気と燃料の量により制御されることを基本として説明する。
本発明ではアクセルペダルの踏み込み量により示される運転者の希望するエンジン出力を発生させるため、以下のように動作を行う。
現在のエンジン回転数において、求める出力を発生させるのに必要な空気量の供給を、ＥＣＵは電動ブロアの回転数と電子制御スロットルバルブの開度を制御することで目的を達成する。
エンジンが２０００回転以下の場合は、ＥＣＵは電動ブロアの駆動だけで、必要とする出力が得られる空気の供給を行い、容積型電動ブロアの回転数（＝空気量）に合わせた燃料を噴射し運転に必要な空燃比の混合気をシリンダー内に用意し、安定した回転のできる範囲で出来るだけ多量のＥＧＲをおこなうようにＥＧＲバルブを制御することで、部分負荷時のポンピングロスを大幅に低減した運転が可能になる。
エンジンの回転数が２０００回転を超えた時点でも必要とする空気量が少ない場合（部分負荷領域）は、出来るだけブロアによる空気供給とＥＧＲ付加を行うことで、部分負荷時のポンピングロスを減らすことが出来る。エンジンの必要とする空気量がブロアの空気供給能力を超えた時点で電子制御スロットルバルブによる空気供給を追加する。この場合、両方の吸気通路を通る空気の合計量ー推定吹き抜け空気量に応じた燃料を燃料噴射装置で噴射する。
燃料噴射装置は電動ブロア側通路に噴射するように設置するが、必要ならスロットルバルブ側通路にも追加しても良い。
シリンダーへの吸気の入り口と吸気バルブのタイミングが別なので、シリンダー内の混合気の配置もある程度自由に出来ることも有利な点である。ＥＧＲはスロットルバルブ側の吸気通路から行う。
電子制御スロットルバルブ、容積型ブロア駆動用モーター、燃料噴射装置、電子制御ＥＧＲバルブ等はＥＣＵにより制御される。

は本発明の基本概念図である。

Claims (1)

1. 電子制御スロットルと、正確に回転数を制御できるモーターにより駆動される容積型電動ブロア（ルーツブロア等）による、二つの並列した空気吸気量制御機構を持つ４サイクルレシプロエンジンあるいはバンケルロータリーエンジンにおいて、それぞれの吸気量制御機構を通る吸気通路ごとに独立した吸気バルブあるいは吸気ポート（バンケルロータリーエンジンの場合）を持ち、燃料噴射装置により電動ブロア側吸気通路内に噴射、あるいはシリンダー内直噴で燃料供給を行い、スロットルバルブ側吸気通路のスロットルバルブ以降の通路内にＥＧＲを行うことを特徴としたエンジン。

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