JP2013053574A - 多気筒エンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気マニホールド50内の排気の流通状態を、各独立排気通路52内の排気が、流路面積が下流側ほど小さくなる通路を通る第1状態と、各独立排気通路52内の排気が第1状態よりも流路面積の大きい通路を通る第2状態とに変更可能であるとともに、独立排気通路52内の排気が共通排気通路50aに流入するまでに通過する通路の流路面積を連続的に変更可能な通路状態変更手段55fを設け、低速高負荷領域A1において、前記流通状態を第1状態にし、排気弁の再開弁動作を停止し、低速低負荷領域A2において、前記流通状態を第2状態にし、排気弁の再開弁動作を実施する一方、中負荷領域A3において、排気の通路の流路面積を負荷の増大に伴い減少させる。
【選択図】図6
Description
図1は、本発明の一実施形態にかかる多気筒エンジンの全体構成を示す図である。図2は、このエンジンの一部(主に排気マニホールド)を示す図である。図1に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒エンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、所定の方向並ぶ4つの気筒2(図2参照)を有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。具体的には、図2の右から順に第1気筒2a,第2気筒2b,第3気筒2c,第4気筒2dが形成されている。本実施形態では、前記エンジンはガソリンエンジンであり、エンジン本体1に供給される燃料は、ガソリンを主成分とする。なお、この燃料は、その中身が、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール(エチルアルコール)等を含有させたものでもよい。
排気マニホールド50の詳細について次に説明する。排気マニホールド50は、上流側から順に、3つの独立排気通路52と、可動部51と、触媒装置60とを備えている。ここで、排気マニホールド50のうち可動部51の後述する絞り部53よりも下流の部分が、各独立排気通路52を通過した全ての排気が内側で集合する共通排気通路50a(図2参照)を構成する。具体的には、この実施形態では、集合部58と、触媒装置60とが、共通排気通路50aを構成する。
図2に示すように、前記各独立排気通路52は、シリンダヘッド4に形成された前記各気筒2の排気ポート10に接続されている。具体的には、前記気筒2のうち第1気筒2aの排気ポート10と第4気筒2dの排気ポート10とは、それぞれ個別に独立排気通路52,52に接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第2気筒2bと第3気筒2cの排気ポート10は、これら各気筒2b,2cから同時に排気が排出されることがないため、構造を簡素化する観点から、二股上に形成された1つの独立排気通路52に接続されている。詳細には、この第2気筒2bと第3気筒2cの排気ポート10に接続されている独立排気通路52は、その上流側において2つの通路に分離しており、その一方に第2気筒2bの排気ポート10が接続され、他方に第3気筒2cの排気ポート10が接続されている。
図2等に示すように、可動部51は、二重管構造であって、円筒状の収容管51aの内側に絞り部53と集合部58とが収容された構造を有している。絞り部53と集合部58とは、上流側からこの順序で収容されている。収容管51aは、車両後方に向かって斜め下方に延びる前記軸線Lを中心軸として後ろ斜め下方に延びている。以下、この収容管51aの軸線Lを単に軸線Lと呼ぶ場合がある。
図6は、外管55が最も上流側の位置にある状態(以下、この位置を流路面積最小位置という)における可動部51付近を拡大して示した断面図である。図7(a)は、図6のVII−VII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図7(b)は、図7(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図7(c)は、図7(b)のうち外管55のみを示した図である。図8(a)は、図6のVIII−VIII線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。図8(b)は、図8(a)のうち後述する内管54のみを示した図である。図8(c)は、図8(b)のうち後述する外管55のみを示した図である。図9は、図6のIX−IX線断面図のうち絞り部53のみを示した図である。
集合部58は、各独立排気通路52から排出されて絞り部53を通過した排気が合流する部分である。外管55の位置に関わらず、各独立排気通路52から排出されて絞り部53の各ガス通路に流入した排気は、この集合部58内に流入する。
図1に示すように、触媒装置60は、エンジン本体1から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置60は、触媒本体(触媒)64とこの触媒本体64を収容するケーシング62とを備えている。ケーシング62は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体64は、排気中の有害成分を浄化するためのものであり、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する。この触媒本体64は、例えば、三元触媒を含有する。
外管55が流路面積最小位置にある第1状態では、前述のように、絞り部53内のガス通路は、下流ほど流路面積が小さくなる形状を有する第1通路54aのみで構成され、その流路面積は最小とされる。そのため、この第1状態では、各独立排気通路52から各第1通路54aに流入した排気は、第1通路54aの通過途中でその速度が高められ、高速でノズル部58a内に流入する。特に、本実施形態では、集合部58も、下流ほど流路面積が小さくなる形状を有している。そのため、各独立排気通路52から排出された排気は、集合部58においてもその速度を高く維持したまま流下する。この第1状態では、このように集合部58内を所定の第1通路54aから排出された排気が高速で通過する結果、エゼクタ効果によって、隣接する他の第1通路54a内およびこれと連通する独立排気通路52および排気ポート10内に比較的高い負圧量の負圧が生成される。
図4は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図4に示されるECU(制御手段)100は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
次に、以上のような機能を有するECU100の制御に基づき、図14に示した各運転領域(A1,A2,A3,A4)で、それぞれどのような制御が実施されるのかを説明する。ECU100は、クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Ne)が図14の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図14中の第1運転領域A1と第2運転領域A2と第3運転領域A3と第4運転領域A4のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。
低負荷領域からなる第2運転領域A2では、点火プラグ20による混合気の点火は停止されて、十分に混合された燃料と空気の混合気であって非常にリーンな混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる、リーンHCCI燃焼(Homogeneous−Charge Compression Ignition Combustion、予混合圧縮自己着火燃焼)モードが実行される。
高負荷領域からなる第1運転領域A1および第4運転領域A4においても、第2運転領域A2と同様に、HCCI燃焼モードが実行される。すなわち、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
第1運転領域A1では、排気弁12の開弁期間と吸気弁11の開弁期間とが、吸気上死点(TDC)を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁12が他の気筒2のオーバーラップ期間T_O/L中に開弁を開始するように調整される。詳細には、第1気筒2aの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第3気筒2cの排気弁12が開弁し、第3気筒2cの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第4気筒2dの排気弁12が開弁し、第4気筒2dの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第2気筒2bの排気弁12が開弁し、第2気筒2bの吸気弁11と排気弁12とがオーバーラップしている期間中に第1気筒2aの排気弁12が開弁するよう調整される。
高速の全負荷近傍の領域からなる第4運転領域A4では、吸気弁11の開弁期間と排気弁12の開弁期間とのオーバーラップ量が、第1運転領域A1よりも少なくなるように調整される。また、第4運転領域A4では、外管55の位置が流路面積最大位置とされて、絞り部53内の各ガス通路の流路面積が最大面積とされ、排気マニホールド50内の排気の流通状態が第2状態とされる。
中負荷領域からなる第3運転領域A3においても、前記第1運転領域A1、第2運転領域A2と同様に、HCCI燃焼モードが実行される。すなわち、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる。
以上説明したように、本エンジンでは、各運転領域においてエゼクタ効果による掃気性能を適正に調整し、これにより、高温排気の燃焼室6内への逆流・残留量を適正な量にして燃焼室6内の混合気の温度を適正な値に調整しており、全運転領域(低負荷領域A2、高負荷領域A1、中負荷領域A3)において適正なHCCI燃焼を実現することができる。
(7−1)第2実施形態
第1実施形態では、全運転領域でHCCI燃焼を実施する場合について示したが、各運転領域の燃焼形態はこれに限らない。例えば、高負荷領域からなる第1運転領域A1において、点火プラグによって混合気を点火させ、これにより混合気を燃焼させる、火花点火燃焼を行ってもよい。この場合においても、高負荷の第1運転領域A1において、第1実施形態と同様の制御を実施することで、この第1運転領域A1での混合気の過剰な温度上昇に伴うノッキングや燃焼騒音の増大を回避することができる。具体的には、高負荷の第1運転領域A1において火花点火燃焼を実施する第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、第1運転領域A1において、排気二度開き制御を停止させ、排気弁12の開弁期間と吸気弁11の開弁期間とを、吸気上死点(TDC)を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁12が他の気筒2のオーバーラップ期間T_O/L中に開弁を開始するように調整し、外管55の位置を、前記流路面積最小位置として排気マニホールド50内の排気の流通状態を第1状態とする。これにより、第2実施形態においても、第1運転領域A1での燃焼室6内の混合気の温度上昇を抑制して、ノッキング等を回避して適正な火花点火燃焼が実現される。
また、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行ってもよい。ここで、冷間始動時に、燃焼温度を高めて暖房性能を改善するとともに触媒を早期活性化させるためには、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行う場合であっても、この第2運転領域A2において燃焼室6内の内部EGRガス量を多く確保する制御を実施するのが好ましい。そのため、第2運転領域A2において火花点火燃焼を行う第3実施形態においても、第1実施形態と同様に、第2運転領域A2では、排気二度開き制御を実行するとともに、排気マニホールド50内の排気の流通状態を第2状態とする。これにより、第2運転領域A2において燃焼室6内の内部EGRガス量を多く確保することができ、燃焼温度を高めることができる。
第1実施形態では、ガス通路の流路面積を変更するための構成として、第2通路55aの流路面積を変更するものを挙げたが、ガス通路の流路面積を変更する構成はこれに限らない。
第1実施形態および第3実施形態では、絞り部内に形成されたガス通路の流路面積を変更することで、排気マニホールド内の排気の流通状態を、第1状態と、第2状態とに変更した場合について示したが、排気マニホールド内の排気の流通状態を変更する具体的構成はこれに限らない。
また、排気マニホールド内の排気の流通状態を変更する構成として、図23に示すものを用いてもよい。
また、前記第1実施形態では、図15を用いて、リーンHCCI燃焼モードにおける燃料の噴射時期や点火時期について例示したが、これはあくまで一例に過ぎず、燃料噴射時期や点火時期はエンジンの特性等によって適宜変更し得るものである。
10 排気ポート
11 吸気弁
12 排気弁
16 VVT(バルブ駆動手段)
17 VVL(バルブ駆動手段)
50 排気マニホールド
50a 共通排気通路
52 独立排気通路
53 絞り部
55f スライドアクチュエータ(通路状態変更手段)
100 ECU(制御手段)
Claims (8)
- 吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに、前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と、前記排気ポートを開閉可能な排気弁と、を有する複数の気筒を備えた多気筒エンジンであって、
1つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続された独立排気通路と、前記各独立排気通路よりも下流側に設けられて前記各独立排気通路を通過した排気が内側で集合する共通排気通路とを含む排気マニホールドと、
前記排気マニホールド内の排気の流通状態を、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するのに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路内に負圧が生成されるように、前記各独立排気通路内の排気が、互いに近接しかつ流路面積が下流側ほど小さくなる通路をそれぞれ個別に通って前記共通排気通路に流入する第1状態と、前記各独立排気通路内の排気が前記第1状態よりも流路面積の大きい通路を通過して前記共通排気通路に流入する第2状態とに変更可能であるとともに、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で連続的に変更可能な通路状態変更手段と、
前記吸気弁と前記排気弁とを駆動可能なバルブ駆動手段と、
前記吸気弁と前記排気弁の動作、前記通路状態変更手段の動作、前記バルブ駆動手段の動作を制御可能な制御手段とを備え、
前記バルブ駆動手段は、前記排気弁を排気行程での開弁動作のほかに吸気行程で再度開弁させる再開弁動作の実行、停止が可能であり、
前記制御手段は、
エンジンの回転数が予め設定された所定の回転数よりも低くかつエンジンの負荷が予め設定された第1基準負荷以上の低速高負荷領域を少なくとも含む第1運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を停止させ、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第1状態にさせるとともに、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、前記バルブ駆動手段により前記各気筒の吸気弁および排気弁を駆動させ、
エンジンの回転数が予め設定された所定の回転数よりも低くかつエンジンの負荷が前記第1基準負荷よりも低い第2基準負荷未満の低速低負荷領域を少なくとも含む第2運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって前記排気マニホールド内の排気の流通状態を前記第2状態にさせ、
前記第1運転領域と第2運転領域との間に設定されてエンジンの負荷が前記第2基準負荷以上かつ前記第1基準負荷未満の第3運転領域において、前記バルブ駆動手段によって前記再開弁動作を実行させるとともに、前記通路状態変更手段によって、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を、前記第2状態における面積から前記第1状態における面積まで、エンジンの負荷が増大するほど減少するように変更させることを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項1に記載の多気筒エンジンにおいて、
少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記気筒内に噴射するインジェクタを備え、
前記第2運転領域において、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されることを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項2に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記第1運転領域および第3運転領域においても、前記気筒内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードが実行されることを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在して、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するとともに少なくとも前記第1状態において流路面積が下流側ほど小さくなる形状を呈する複数のガス通路が内側に形成された絞り部を有し、
前記通路状態変更手段は、前記各ガス通路の流路面積を変更可能であり、当該各ガス通路の流路面積を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項4に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、
前記通路状態変更手段は、前記第1通路と第2通路との連通量を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項4に記載の多気筒エンジンにおいて、
前記各ガス通路は、前記各独立排気通路の下流端から前記共通排気通路まで延びて前記各独立排気通路とそれぞれ個別に連通する第1通路と、当該各第1通路と前記共通排気通路とに連通する第2通路とを含み、
前記通路状態変更手段は、前記第2通路の流路面積を変更することで前記各ガス通路の流路面積を変更することを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路の途中に設けられて複数の独立排気通路どうしを連通する連通通路と、当該連通通路を介した独立排気通路どうしの連通状態を変更可能な連通状態変更手段とを備え、
前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、
前記通路状態変更手段は、前記連通状態変更手段によって前記連通通路を介した前記独立排気通路どうしの連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の多気筒エンジンにおいて、
前記排気マニホールドは、前記各独立排気通路の下流端と前記共通排気通路との間に介在する絞り部と、前記各独立排気通路と前記共通排気通路とを連通して前記絞り部をバイパスさせるバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉して当該バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更可能なバイパス通路開閉手段とを備え、
前記絞り部の内側には、下流ほど流路面積が縮小する形状を有するとともに、前記各独立排気通路の下流端から排出された排気がそれぞれ独立して流入するように配置された複数のガス通路が形成されており、
前記通路状態変更手段は、前記バイパス通路開閉手段によって前記バイパス通路を介した前記独立排気通路と前記共通排気通路との連通量を変更することで、前記各独立排気通路内の排気が前記共通排気通路に流入するまでに通過する通路の流路面積を前記第1状態における面積と第2状態における面積との間で変更することを特徴とする多気筒エンジン。
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