JP2013096266A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲバルブと吸気絞りバルブ又は排気絞りバルブとの制御を、簡単な構造で的確に行う。
【解決手段】ＥＧＲバルブ１５は、モータ２７とこれで駆動される主動プーリ２９とを有する。吸気絞りバルブ１３（及び／又は排気絞りバルブ）は弁体１８と一緒に回転する従動プーリ３０を有する。主動プーリ２９と従動プーリ３０とは、弛み部３２ａを有するワイヤー３２で接続されている。モータ２７が正転すると主動プーリ２９は正転して弁体１８は開き動する。主動プーリ２９がある程度開いてから従動プーリ３０に回転トルクが付与されて、吸気絞りバルブ１３が閉じ始める。これにより、１つのモータ２７で両バルブ１３，１５を的確に制御できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＥＧＲ通路を備えた内燃機関に関するものである。

近年の内燃機関では、排気ガス中の窒素酸化物排出抑制等のため、排気ガスの一部を吸気通路に戻すＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は必須要素としてＥＧＲ通路を備えており、ＥＧＲ通路は、吸気通路のうちエアクリーナと吸気絞りバルブ（スロットルバルブ）との間に接続されており、清浄空気と排気ガスとの混合ガスが機関に供給される。排気ガスの還流量は内燃機関の運転状況に応じて制御する必要があり、そこで、ＥＧＲ通路にはＥＧＲバルブを設けている。

他方、排気ガスの還流効率は排気圧と密接に関連しており、そこで、排気通路のうちＥＧＲ通路の接続部より下流側に排気バルブを設けて、排気通路から大気に放出される排気ガスの量を制御できるようにしている。そして、各バルブは開度を調節する必要があり、そこで、従来は、各バルブを電動アクチェータ（モータ）で個別に駆動している（例えば特許文献１）。

他方、特許文献２では、吸気絞り弁の開き度とＥＧＲバルブの開き度とが関連性を有することに着目し、吸気絞りバルブ（スロットルバルブ）の開き度とＥＧＲバルブとをワイヤーによって連結し、両者を、吸気絞りバルブの開度が増加するに従って排気絞りバルブの開度が拡大するように関連させることが開示されている。

特開２００７−３０３３８０号公報 実開平６−４３２５４号のＣＤ−ＲＯＭ

特許文献１のように各バルブを個別に電動アクチェータ（モータ）で制御する構成では設置コストやメンテナンスコストが嵩む問題や、制御システムが複雑化する問題がある。また、排気絞りバルブを設けた部分は高温の環境になるため、排気絞りバルブの電動アクチェータは故障しやすいと言える。

他方、特許文献２は吸気絞りバルブ（スロットルバルブ）の動きにＥＧＲバルブを連動させるものであるためコスト面では有利であるが、ＥＧＲバルブは吸気絞りバルブの動きに追従して常に動いているため、排気ガスの還流が不要であるにもかかわらず排気ガスが還流するという現象が発生し、排気ガスの的確な還流制御を行い難い問題がある。

本願発明はこのように現状を改善すべく成されたものであり、低いコストで的確な排気ガス還流制御を実現すること等を目的とするものである。

本願発明に係る内燃機関は、ピストンが摺動自在に嵌まったシリンダボアを有する機関本体と、前記シリンダボアに空気を供給する吸気通路と、前記シリンダボアで発生した排気ガスを排出する排気通路と、排気ガスの一部を吸気通路に還流するために前記排気通路と吸気通路とに接続されたＥＧＲ通路とを有しており、
更に、前記吸気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続部より上流側に位置する吸気絞りバルブと、前記排気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続部よりも下流側に位置する排気絞りバルブとのうち少なくともいずれか一方を備えると共に、前記ＥＧＲ通路には排気ガスの還流量制御用のＥＧＲバルブを設けている、という基本構成である。

そして、上記基本構成において、前記吸気絞りバルブと排気絞りバルブとのうちいずれか一方又は両方と前記ＥＧＲバルブとの開閉制御を行う１つのアクチェータと、前記アクチェータでＥＧＲバルブ及びいずれか一方又は両方の絞りバルブを駆動する連動手段を有しており、前記連動手段は、前記ＥＧＲバルブが所定開度以上に開くと前記いずれか一方又は両方の絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されている。

本願発明の連動手段は、例えばワイヤー、リンク機構、ギア機構などの様々な態様を含んでいる。この場合、アクチェータの回転の度合いとバルブの開き度合いとは単純な比例関係とすることもできるし、カム等を併用することにより、アクチェータの回転の度合いに対してバルブの開き度合いを変えることも可能ある。

本願発明は請求項２の構成も含んでいる。この請求項２の発明は、請求項１において、前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記連動手段により、前記ＥＧＲバルブが所定開度以上に開くと少なくとも前記排気絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されており、かつ、前記ＥＧＲバルブが全開になった状態から更に前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記ＥＧＲバルブは閉じ方向に移行すると共に前記排気絞りバルブは更に閉じ方向に移行するように設定されている。

さて、ＥＧＲバルブと排気絞りバルブとの関係を見ると、ＥＧＲバルブを開いて排気ガスを吸気通路に還流させると大気に放出される排気ガスの量は低下するので、ＥＧＲ通路の圧力を高めて排気ガスを吸気通路に還流しやすくするという意味からは、排気絞りバルブは閉じ方向に動かす（開度を小さくする）のが好ましいが、ＥＧＲバルブの開度がある程度まで小さい状態では、例えば吸気抵抗の増大を防止するため、排気絞りバルブは閉じ動させる必要はなくて全開のままであるのが好ましい場合が多い。

同様に、ＥＧＲバルブと吸気絞りバルブとの関係を見ると、ＥＧＲバルブを開いて排気ガスを吸気通路に還流させると、基本的には、吸気絞りバルブは閉じ方向に動かす（開度を小さくする）のが好ましいが、ＥＧＲバルブの開度がある程度まで小さい状態では、充填効率低下防止や機関温度アップ等のため、吸気絞りバルブは全開のままにしておくのが好ましいことが多い。

そして、本願発明は、ＥＧＲバルブと排気絞りバルブ又は吸気絞りバルブとを単純に連動させるのではなく、ＥＧＲバルブがある程度の範囲まで開いてから排気絞りバルブ又は（／及び）吸気絞りバルブを閉じ方向に動かすものであるため、排気ガスの還流に伴う不具合を防止して円滑な運転を実現できる。

更に、本願発明では、ＥＧＲバルブと排気絞りバルブ又は（／及び）吸気絞りバルブとはアクチェータで駆動するものであるため、これらＥＧＲバルブと排気絞りバルブ又は（／及び）吸気絞りバルブとの駆動制御を必要なときにだけ行うことができるのであり、その結果、内燃機関を最適な状態で運転することができる。加えて、本願発明は、ＥＧＲバルブと絞りバルブとを１つのアクチェータで駆動するものであるため、設置コストやメンテナンスコストを抑制できると共に、複雑な制御システムは不要であるため、制御システム構築に要する手間と費用を抑制できると共に、ソフトや制御回路のトラブルを回避して動きも確実化できる。

請求項２の構成を採用すると、シリンダボアから排出される排気ガスの量を抑制する内部ＥＧＲの効果が発揮されて、燃焼を安定させることができる。つまり、請求項２の構成では、ＥＧＲバルブは閉じ方向に動くと共に排気絞りバルブが更に閉じ方向に動くため、シリンダボアから排出される排気ガスの流れ抵抗が大きくなり、その結果、排気ガスの一部がシリンダボアの内部に残ったままになる内部ＥＧＲ現象が生じ、これにより、シリンダボアの内部に熱が籠もった状態になって燃料の着火性・燃焼性が向上して、安定した燃焼を実現できるのである。

本願発明を適用した内燃機関の模式的な平面図である。 要部の平面図である。 （Ａ）は図２の部分の平断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。 （Ａ）はＥＧＲバルブと吸気絞りバルブとの開度の関係を示すグラフ、（Ｂ）はＥＧＲバルブと排気絞りバルブとの開度の関係を示すグラフである。 ＥＧＲバルブと吸気絞りバルブとの動きの関係を示す模式図である。 第２実施形態を示す図である。 第３実施形態を示す図である。 第４実施形態を示す図である。 第５実施形態を示す図である。

次に、本願発明の実施形態に基づいて説明する。本実施形態は車両用内燃機関（ガソリンエンジン）に適用している。まず、図１〜図５に示す第１実施形態から説明する。

(1).第１実施形態の概略
図１に示すように、本実施形態の内燃機関は３気筒縦型のタイプであり、車両のエンジンルームの前部に設けたエンジンルームに、クランク軸を左右方向に向けた姿勢で搭載されている。内燃機関はシリンダブロックやシリンダヘッドを主要要素とする機関本体１を有しており、機関本体１には、ピストンが嵌まった３つのシリンダボア２が左右方向に並んで形成されている。

また、機関本体１の一方の面（車両の前進方向に向かって後ろの面）には吸気マニホールド３が装着されており、機関本体１の他方の面（車両の前進方向に向かって前の面）には排気マニホールド４が装着されている。吸気マニホールド３には吸気通路５が接続されており、吸気通路５のうち上流部にエアクリーナ６が配置され、それより下流側にはインタークーラ７が介挿されている。

排気マニホールド４には排気通路８が接続されており、この排気通路８に触媒方式等の排気浄化装置９を介挿している。排気通路８の下流側の末端には消音器（図示せず）を接続しており、排気ガスは最終的には大気に放出される。本実施形態の内燃機関は排気ターボ過給機１０を有しており、排気ターボ過給機１０のタービン１０ａに排気通路８のうち排気浄化装置９よりも上流側の部位を接続し、排気ターボ過給機１０の圧縮室１０ｂに、吸気通路５のうちアクリーナ６とインタークーラ７との間の部位が接続されている。

排気通路８のうち排気浄化装置９よりも下流側の部位と、吸気通路５のうちインタークーラ７と排気ターボ過給機１０との間の部位とは、ＥＧＲ通路１１で接続されている。換言すると、排気通路８と吸気通路５とがＥＧＲ通路１１を介して連通している。ＥＧＲ通路１１には水冷式のＥＧＲクーラ１２が介挿されている。

吸気通路５のうちＥＧＲ通路１１の接続部よりも上流側の部位には、吸気量を制御するための吸気絞りバルブ（吸気絞り弁）１３を設けており、排気通路８のうちＥＧＲ通路１１の接続部よりも下流側の部位には、排気量を制御するための排気絞りバルブ（吸気絞り弁）１４を設けている。更に、ＥＧＲ通路１１のうちＥＧＲクーラ１２よりも下流側の部位には、排気ガスの還流量を制御するためのＥＧＲバルブ１５を設けている。従って、本実施形態では、ＥＧＲバルブ１５と吸気絞りバルブ１３とがかなり近い位置に配置されている。アクセルペダルに連動したスロットルバルブ１３′は、吸気通路５のうちインタークーラ７の下流側に設けている。

なお、ＥＧＲバルブ１５はＥＧＲクーラ１２より上流側の部位に設けることも可能である。この場合は、ＥＧＲバルブ１５と排気絞りバルブ１４とがかなり近い位置に配置される。図１では、清浄空気の流れは白抜き矢印で示し、排気ガスの流れは黒抜き矢印で示し、清浄空気と排気ガスとの混合ガスの流れは網かけ矢印で表示している。

(2).各バルブの構造
次に、各バルブ１３，１４，１５の構造と相互関係を図２，３に基づいて説明する。各バルブ１３，１４，１５はバタフライバルブ方式であり、各通路５，８，１１と同じ内径の筒部を有するハウジング１７と、ハウジング１７に内蔵された円盤状の弁体１８とを有している。ハウジング１７の両端にはフランジ１９を設けており、ハウジング１７のフランジ１９が各通路５，８，１１に設けた端板２０にボルト２１で固定されている。

弁体１８は、ハウジング１７の軸心と直交した軸心回りに回転するように、中心軸２２でハウジング１７に取り付けられている。ハウジング１７には、その軸心と平行に広がるベース板２３が設けられており、ベース板２３には複数個のカラー２４を介して軸受け板２５がボルト２６で固定されている。

ＥＧＲバルブ１５の軸受け板２５には、アクチェータの一例としての電動式のモータ２７がビス（ボルト）で固定されている（軸受け板２５がモータ２７の一部になっている場合もある。）。モータ２７は回転を自在に制御できるステップモータであり、その主軸２８が中心軸２２と同心になるように配置されており、主軸２８に設けた穴に中心軸２２を相対回転不能に嵌め込んでいる。従って、モータ２７を駆動すると弁体１８が回転する。なお、主軸２８と中心軸２２とはカップリングのような継手で接続してもよいし、直結方式でなく、主軸２８と中心軸２２との間にギア群を介在させてもよい。

モータ１６の主軸２８には、請求項に記載した連動手段の一部を構成する主動プーリ２９を固定している。主動プーリ２９の外周には溝が形成されている。また、主動プーリ２９はベース板と軸受け板２５との間に配置されている。他方、吸気絞りバルブ１３は、ベース板と軸受け板２５とで回転自在に指示されると共に中心軸２２と相対回転不能に保持された従動軸３０′を有しており、この従動軸３０′に、外周に溝を有する従動プーリ３０と、これより小径で同じく外周に溝が形成された補助プーリ３１とを固定している。

従動プーリ３０はベース板と軸受け板２５との間に配置して、補助プーリ３１は軸受け板２５の外側に配置しているが、補助プーリ３１もベース板と軸受け板２５との間に配置することは可能である。また、軸受け板２５を設けずに、従動軸３０′を単にベース板から突出させて、これに両プーリ３０，３１を設けることも可能である。従動プーリ３０は、請求項に記載した連動手段の一部を構成している。

図２に示すように、ＥＧＲバルブ１５の主動プーリ２９と吸気絞りバルブ１３の従動プーリ３０とは、連動手段を構成するワイヤー３２で接続されている。この場合、ワイヤー３２はある程度の弛み部３２ａを有していると共に、弛み部３２ａの存在にかかわりなくワイヤー３２を張った状態に保持するため、弛み部３２ａの両端にはテンション保持用ばね（引っ張りコイルばね）３３が接続されている。図面では便宜的に弛み部３２ａをテンション保持用ばね３３の外側に露出させているが、実際には、弛み部３２ａはテンション保持用ばね３３の内部に配置するのが好ましい。

吸気絞りバルブ１３の補助プーリ３１には補助ワイヤー３４を巻き掛けており、補助ワイヤー３４の一端に戻し用ばね（引っ張りコイルばね）３５の一端を接続している。戻し用ばね３５の他端は吸気通路５を構成するパイプ等の適当な部材に係止している。戻し用ばね３５のばね力はテンション保持用ばね３３のばね力よりも強く設定している。図では表示していないが、排気絞りバルブ１４も吸気絞りバルブ１３と同じ構造になっており、排気絞りバルブ１４の従動プーリ３０とＥＧＲバルブ１５の主動プーリ２９とがワイヤー３２で接続されている。なお、ワイヤー３２に代えて紐類を使用することも可能である。

(3).第１実施形態のまとめ
以上の構成において、吸気絞りバルブ１３と排気絞りバルブ１４とは全開状態を出発点としており、ＥＧＲバルブ１５は全閉状態を出発点としている。そして、ＥＧＲバルブ１５のモータ２７に通電して正転させると、弁体１８が開き方向に回転すると共に主動プーリ２９が回転し、これに伴ってワイヤー３２が引っ張られる。

この場合、ワイヤー３２には弛み部３２ａが存在していると共に、戻し用ばね３５のばね力がテンション保持用ばね３３のばね力よりも強いため、弛み部３２ａがピンと張るまでは従動プーリ３１は回転せず、ＥＧＲバルブ１５がある程度まで開いて弛み部３２ａがピンと張ってから初めて従動プーリ３１が回転し始めて、吸気絞りバルブ１３と排気絞りバルブ１４とが閉じ始める。ＥＧＲバルブ１５が逆転すると、吸気絞りバルブ１３と排気絞りバルブ１４の弁体１８は戻し用ばね３５によって開き方向に逆回転する。

このように、ＥＧＲバルブ１５が開いていると共に、吸気絞りバルブ１３及び排気絞りバルブ１４とが全開状態の範囲が存在している。図５に模式的に示すように、ＥＧＲバルブ１５は全閉状態から全開状態まで変化し得るが、吸気絞りバルブ１３及び排気絞りバルブ１４は全閉状態までは移行せず、ある程度開いた状態で最小開度（最大閉度）になる。ＥＧＲバルブ１５と吸気絞りバルブ１３及び排気絞りバルブ１４との開度の好適な関係を図４のグラフで示している。このような状態が実現するように、ワイヤー３２の弛み部３２ａの長さや各プーリ２９，３０の半径Ｒ１，Ｒ２を設定したらよい。なお、図４のグラフに表示している吸気絞りバルブ及び排気絞りバルブに関する「閉度１００％」とは、通路を完全に遮蔽するという意味ではなく、最大閉度という意味である。

請求項２においては、ＥＧＲバルブ１５の弁体１８を９０度以上に開く態様に設定したらよい。すなわち、ＥＧＲバルブ１５の弁体１８が９０度まで回転して全開状態になっても、排気絞りバルブ１４の弁体１８は全閉状態までは移行していないので、ＥＧＲバルブ１５を全開せさせた状態からモータ２７を更に正転させてＥＧＲバルブ１５の弁体１８を正回転させると、ＥＧＲバルブ１５は閉じ方向に移行すると共に、排気絞りバルブ１４の弁体１８は更に閉じ方向に移行していく。すると、排気ガスの流れ抵抗が大きくなるため、シリンダボア２からの排気ガスの排出が悪くなり、その結果、排気ガスがシリンダボア２に籠もる内部ＥＧＲ現象が発生し、これによって燃料への着火性を向上させて安定した燃焼状態を実現できる。

(4).他の実施形態
図６に示す第２実施形態は、第１実施形態におけるＥＧＲバルブ１５と吸気絞りバルブ１３及び排気絞りバルブ１４との関係をより明確に表示したものであり、ＥＧＲバルブ１５に設けた主動プーリ２９の回転により、吸気絞りバルブ１３及び排気絞りバルブ１４の従動プーリ３０が回転する状態を明確に表示している。

この実施形態では、吸気絞りバルブ１３の従動プーリ３０は排気絞りバルブ１４の従動プーリ３０よりも大径になっており、このため、ＥＧＲバルブ１５の開きの度合いに対する吸気絞りバルブ１３の閉じ度合いは、ＥＧＲバルブ１５の開きの度合いに対する排気絞りバルブ１４の閉じ度合いよりも小さくなっている。なお、連動手段としてワイヤー３２を使用する場合、ワイヤー３２は直線状に配置する必要はないのであり、アイドルプーリ等のガイド部材を配置することにより、様々な張り姿勢を得ることができる。これにより、主動プーリ２９と従動プーリ３０との間に障害物があっても、これを迂回して連動関係を確保できる。

図７（Ａ）に示す第３実施形態では、各バルブ１３，１４，１５とは異なる独立した場所にモータ２７を配置して、モータ２７の主軸２８に３つの主動プーリ２９を固定している。このように構成すると、空きスペースにモータ２７を配置できるため、部材配置の自由性が向上する利点がある。

図７（Ｂ）に示す第４実施形態では、連動手段として従動円盤（回転板）３７とリンク３８とを使用している。すなわち、従動円盤３７とリンク３８とをピン３９で連結するにおいて、リンク３８のピン連結穴４０を長穴とすすることにより、従動円盤３７の回転開始タイミングがＥＧＲバルブ１５の開き動よりもずるように設定している。従動円盤３７がばねで全開方向に付勢されているのは第１実施形態と同じである。

図８に示す第５実施形態では、ＥＧＲバルブ１５の開き動に排気絞りバルブ１４のみを連動させている。また、この実施形態では、ＥＧＲバルブ１５は、ＥＧＲ通路１１のうち排気通路８に近い部位（ＥＧＲクーラよりも上流側）に設けている。

図９に示す第６実施形態では、主動プーリ２９を、回転軸心から外周面までの距離が周方向に向かって相違する周面カムと成している。このように従動プーリ２９に周面カムを使用すると、吸気絞りバルブ１３及び排気絞りバルブ１４の閉じ度合いをきめ細かく制御できる利点がある。従動プーリ３０をカム形式としてもよいし、主動プーリ２９と従動プーリ３０との両方をカム形式することも可能である。周面カムを使用する場合、外周面は滑らかな曲面でなく多角形の状態にすることも可能である。

(5).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、バルブの流量調節構造はバタフライ弁方式には限らないのであり、例えばニードル方式やシャッター方式などの各種の方式を採用できる。また、アクチェータとしては電動モータに限らず、他の駆動手段も採用できる。連動手段としては、例えば欠歯歯車なども使用できる。

本願発明は内燃機関に実際に適用できる。従って、産業上、利用できる。

１ 機関本体
２ シリンダボア
３ 吸気マニホールド
４ 排気マニホールド
５ 吸気通路
８ 排気通路
１０ 排気ターボ過給機
１１ ＥＧＲ通路
１３ 吸気絞りバルブ
１４ 排気絞りバルブ
１５ ＥＧＲバルブ
１８ 弁体
２７ アクチェータの一例としての電動モータ
２８ 主軸
２９ 連動手段を構成する主動プーリ
３０ 連動手段を構成する従動プーリ
３２ 連動手段を構成するワイヤー
３２ａ ワイヤーの弛み部（バッファ手段）

Claims (2)

1. ピストンが摺動自在に嵌まったシリンダボアを有する機関本体と、前記シリンダボアに空気を供給する吸気通路と、前記シリンダボアで発生した排気ガスを排出する排気通路と、排気ガスの一部を吸気通路に還流するために前記排気通路と吸気通路とに接続されたＥＧＲ通路とを有しており、
   更に、前記吸気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続部より上流側に位置する吸気絞りバルブと、前記排気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続部よりも下流側に位置する排気絞りバルブとのうち少なくともいずれか一方を備えると共に、前記ＥＧＲ通路には排気ガスの還流量制御用のＥＧＲバルブを設けている構成であって、
   前記吸気絞りバルブと排気絞りバルブとのうちいずれか一方又は両方と前記ＥＧＲバルブとの開閉制御を行う１つのアクチェータと、前記アクチェータでＥＧＲバルブ及びいずれか一方又は両方の絞りバルブを駆動する連動手段を有しており、前記連動手段は、前記ＥＧＲバルブが所定開度以上に開くと前記いずれか一方又は両方の絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されている、
   内燃機関。
2. 前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記連動手段により、前記ＥＧＲバルブが所定開度以上に開くと少なくとも前記排気絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されており、かつ、前記ＥＧＲバルブが全開になった状態から更に前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記ＥＧＲバルブは閉じ方向に移行すると共に前記排気絞りバルブは更に閉じ方向に移行するように設定している、
   請求項１に記載した内燃機関。

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