JP2013199877A - 内燃機関の吸排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新気量を確保しつつ、燃焼室の吸気の成層度を向上させることにある。
【解決手段】吸排気装置は、燃焼室へタンブル流を形成するタンブルポートに接続されて、吸気を燃焼室へ供給する吸気管１２Ｔを備える。吸気管１２Ｔは、ＥＧＲガスが供給されるＥＧＲ通路１８と、新気主体の吸気が供給される新気通路１９と、ＥＧＲ通路１８が接続するとともに新気通路１９が接続する合流部２０とを備え、合流部２０には、ＥＧＲ開口１８ａと新気開口１９ａとを交互に開閉する切替バルブ２４が設けられている。これによれば、１つのポートに接続する吸気管１２Ｔから、切替バルブ２４によってＥＧＲガスと新気とを時間差で導入することができる。このため、２つのポートの内の１つをＥＧＲガス専用に用いる従来例とは異なり、成層度を上げるためにＥＧＲ通路１８内のＥＧＲガスの濃度を向上させても、新気通路１９から十分に新気量を確保することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば自動車等の車両に搭載される内燃機関の吸排気装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジンにおいて、排気の一部（ＥＧＲガス）を新気とともに燃焼室へ供給する吸排気装置がある。
ところで、出願人は、燃焼室のＥＧＲガスの濃度を均質にするのではなく、図１２に示すように、インジェクタから噴射される燃料の拡散が大きい領域でＥＧＲガス濃度が低くなるように成層化することにより、ＮＯｘや黒煙が低減されることを発見した。

燃焼室内の吸気の成層化の技術として、特許文献１に開示された技術がある。
特許文献１では、２つのポートに接続する独立した２つの吸気管の内、一方をＥＧＲガス主体の吸気を導入するための吸気管とし、他方を混合ガス主体の吸気を導入するための吸気管とし、２つの吸気管の吸気弁の開閉時期をずらすことにより、吸気の成層化を行っている。

特開２００４−１４４０５２号公報

しかし、特許文献１の技術では、成層度を上げるためにＥＧＲガス主体の吸気を導入するための吸気管では、ＥＧＲガス濃度を上げなければならず、新気が導入されない。このため、成層度を向上しようとすると、燃焼室へ導入される新気量が少なくなるという問題が生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の吸排気装置において、新気量を確保しつつ、燃焼室の吸気の成層度を向上させることにある。

本発明の内燃機関の吸排気装置は、燃焼室にタンブル流を形成するタンブルポートに接続されて、吸気を燃焼室へ供給する吸気管を備える。
吸気管は、ＥＧＲガスが供給されるＥＧＲ通路と、新気主体の吸気が供給される新気通路と、ＥＧＲ通路が接続するとともに新気通路が接続する合流部とを備え、合流部には、ＥＧＲ通路の開口と新気通路の開口とを交互に開閉する切替バルブが設けられている。

これによれば、１つのポートに接続する吸気管から、切替バルブによってＥＧＲガスと新気とを時間差で導入することができる。
このため、２つのポートの内の１つをＥＧＲガス主体の吸気専用に用いる従来例と比較して、新気量を多く確保することができる。また、成層度を上げるためにＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの濃度を向上させても、新気通路から十分に新気量を確保することができる。

吸排気装置の概略図である（実施例１）。 切替バルブの概略図である（実施例１）。 各バルブの開弁時間を説明する図である（実施例１）。 吸排気装置の各ポートの吸気について説明する図である（実施例１）。 切替バルブの概略図である（実施例２）。 切替バルブの概略図である（実施例２）。 切替バルブの概略図である（実施例２）。 カムリフト、第１スプリング及び第２スプリングのバネ荷重、切替バルブのバルブ開口量の対応を説明する図である（実施例２、３）。 切替バルブの概略図である（実施例３）。 切替バルブの概略図である（実施例４）。 切替バルブの概略図である（実施例４）。 成層化について説明する図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
〔実施例１の構成〕
本実施例の内燃機関（エンジン）の吸排気装置１の構成を、図１〜図４を用いて説明する。
本実施例のエンジン２は、車両駆動用のディーゼルエンジンであり、複数の気筒、各気筒内の燃焼室に接続される複数の吸気ポート３及び排気ポート４、吸気ポート３を開閉する吸気バルブ５、排気ポート４を開閉する排気バルブ６、燃焼室内に燃料を直接噴射供給するためのインジェクタ７、クランクシャフトに連結されて各気筒のシリンダボア内を摺動するピストン８等を有する。

吸気ポート３には、吸気通路を形成する吸気管１２が接続され、排気ポート４には、排気通路を形成する排気管１３が接続されている。
吸気ポート３は、燃焼室にスワール流を形成するスワールポート（図示せず）と、燃焼室にタンブル流を形成するタンブルポート３Ｔとを有している。本実施例のスワールポート及びタンブルポート３Ｔは、それぞれ、スワール流及びタンブル流を生じさせるポート形状を呈することにより、それぞれの渦流を形成している。なお、ポート形状によらず、スワールコントロールバルブやタンブルコントロールバルブを用いる態様であってもよい。

本実施例の吸排気装置１は、排気通路の途中に配設されたタービン１５と、吸気通路の途中に配設されたコンプレッサ１６とを有し、吸気を加圧して燃焼室へと送り込むターボチャージャを備えている。そして、タービン１５よりも上流の排気通路から吸気通路へＥＧＲガスが供給される。

〔本実施例の特徴〕
本実施例の吸排気装置１によれば、タンブルポート３Ｔに接続される吸気管１２（以下、吸気管１２Ｔと呼ぶ）は、ＥＧＲガスが供給されるＥＧＲ通路１８と、新気主体の吸気が供給される新気通路１９と、ＥＧＲ通路１８が接続するとともに吸気管１２Ｔが接続する合流部２０とを備える。なお、合流部２０の下流は、タンブルポート３Ｔに接続している。
そして、合流部２０には、ＥＧＲ通路１８の開口（以下、ＥＧＲ開口１８ａ）と、新気通路１９の開口（以下、新気開口１９ａ）とを交互に開閉する切替バルブ２４が設けられている。

切替バルブ２４は、ヒンジ構造によって回動するドア式のバルブであって、回転軸周りに回動可能に設けられた板状の弁体２５と、弁体２５と一体的に設けられたレバー２６とを有する。
本実施例では、回転軸の径方向一方に弁体２５が延び、回転軸の径方向他方に弁体２５が延びるのと同一直線状にレバー２６が設けられている。これにより、レバー２６を駆動することで、弁体２５が回転軸周りに回動する構造となっている。

レバー２６は、クランクシャフトと同期して回転するカム２７により駆動され、レバー２６の駆動によって弁体２５が回動する。
弁体２５は、一方側への回動によってＥＧＲ開口１８ａを閉鎖し、他方側への回動によって新気開口１９ａを閉鎖する。具体的に、弁体２５は、第１スプリング２８によってＥＧＲ開口１８ａを閉鎖する方向に付勢されており、カム２７が回転してカム山が第１スプリング２８の付勢力に抗してレバー２６を押圧することで、弁体２５が他方へ回動して新気開口１９ａを閉鎖するとともにＥＧＲ開口１８ａを開く。

カム２７は、例えば、カム２７のカムシャフトを吸気バルブ５を駆動するカムシャフト（図示せず）とベルト等で結合し、吸気バルブ５と同期して駆動するようになっている。
図３に示すように、カム２７は、吸気バルブ５の開弁時間の前半で、ＥＧＲ開口１８ａを閉鎖して新気開口１９ａを開き、吸気バルブ５の開弁時間の後半で、新気開口１９ａを閉じてＥＧＲ開口１８ａを開くように、カム山が設定されている。例えば、開弁時間の後半３０％でＥＧＲ開口１８ａを開くように設定されている。

これにより、図４に示すように、タンブルポート３Ｔでは、吸気バルブ５の１回の開弁において、はじめの７０％で新気が導入され、残りの３０％でＥＧＲガスが導入されることになる。
なお、スワールポートにおいては、常に新気が導入される。

〔本実施例の作用効果〕
本実施例では、吸気管１２Ｔに、ＥＧＲ開口１８ａと新気開口１９ａとを交互に開閉する切替バルブ２４が設けられている。
これにより、１つのポート（タンブルポート３Ｔ）に接続する吸気管１２Ｔから、切替バルブ２４によってＥＧＲガスと新気とを時間差で導入することができる。
ＥＧＲガスと新気とを時間差で導入することにより、燃焼室に図１２に示すように吸気が成層化される。

本実施例によれば、１つのポートに接続する吸気管１２Ｔから、切替バルブ２４によってＥＧＲガスと新気とを時間差で導入できるため、２つのポートの内の１つをＥＧＲガス主体の吸気専用に用いる従来例と比較して、新気量を多く確保することができる。
また、成層度を上げるためにＥＧＲ通路１８内のＥＧＲガスの濃度を向上させても、新気通路１９から十分に新気量を確保することができる。

〔実施例２〕
〔実施例２の構成〕
実施例２の吸排気装置１を実施例１とは異なる点を中心に図５〜図８を用いて説明する。なお、実施例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例によれば、切替バルブ２４は、弁体２５に対してＥＧＲ開口１８ａを閉じる側への付勢力を付与する第１スプリング２８と、カム２７と弁体２５との間に設けられるとともに、弁体２５に対して新気開口１９ａを閉じる側への付勢力を付与する第２スプリング２９とを有する。

第１スプリング２８は、弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉じる側へレバー２６を押圧している。
第２スプリング２９は、レバー２６とカム２７との間に配され、弁体２５が新気開口１９ａを閉じる側へレバー２６を押圧している。そして、カム山に押されることで収縮する。

図５に示すように、レバー２６がカム山に押圧されていない状態、すなわちＥＧＲ開口１８ａが閉鎖された状態では、第１スプリング２８のセット荷重が第２スプリング２９のセット荷重よりも大きい。

図５の状態から、カム２７が回転するとカム山がレバー２６を押圧し始める（カムリフト開始）。図８の（１）の領域に示すように、カムリフトが始まると、第２スプリング２９が圧縮されて、第２スプリング２９のバネ荷重が上昇し始める。このとき、第１スプリング２８のバネ荷重が第２スプリング２９のバネ荷重よりも大きい間は、レバー２６が動かず、第２スプリング２９のみが圧縮される。このため、カムリフト開始後しばらくの間は、弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉鎖したままである。

そして、図６に示すように、第１スプリング２８のバネ荷重と第２スプリング２９のバネ荷重が等しくなると、弁体２５が新気開口１９ａを閉じる側（ＥＧＲ開口１８ａを開く側）へとレバー２６が動き始める（図８の（２）の領域参照）。

そして、図７に示すように、弁体２５が新気開口１９ａの開口縁のバルブシートに当接すると、レバー２６の駆動が停止する。しかし、図８の（３）の領域に示すように、この後もカムリフトがしばらく続く。このカムリフトは、第２スプリング２９を圧縮させるために用いられる。このため、第２スプリング２９のバネ荷重が増大する。

〔本実施例の作用効果〕
本実施例でも、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
加えて、以下の作用効果も奏する。

実施例１のように第１スプリング２８のみを有する場合、弁体２５が新気開口１９ａのバルブシートに当接した後もカムリフトがあると、カム２７を介して弁体２５に過剰な力が加わってしまうため、弁体２５が新気開口１９ａのバルブシートに当接した後はカムリフトしないようにカム２７を高精度に製造する必要がある。
しかし、本実施例では、カム２７と弁体２５との間（実施例ではカム２７と弁体２５を駆動するレバー２６との間）に、第２スプリング２９を設けることで、弁体２５が新気開口１９ａのバルブシートに当接した後にカムリフトが残っていたとしても、第２スプリング２９によってその変位を吸収できるため、弁体２５に過剰な力が加わることはない。

また、第１スプリング２８と第２スプリング２９を用いることによってカム２７のプロフィールをなだらかにすることができる。
切替バルブ２４は、図３に示すように、吸気バルブ５の開弁時間の内の一部でＥＧＲ開口１８ａを開く。このため、カム２７のプロフィールが急峻となる。
そこで、本実施例では、互いに向かい合う方向に付勢力を生じる第１スプリング２８と第２スプリング２９を用い、さらに、ＥＧＲ開口１８ａの閉鎖時におけるバネ荷重に差を設けることで、カムリフト開始後しばらくの間は弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉鎖したままになるようにしている。すなわち、カムリフトが弁体２５の回動に影響を及ぼさない無効範囲ができる。この無効範囲がある分、カム２７のプロフィールをなだらかにすることができる。

〔実施例３〕
実施例３の吸排気装置１を実施例２とは異なる点を中心に図８、図９を用いて説明する。なお、実施例２と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、第１スプリング２８のセット荷重を変更するセット荷重変更手段を有する。セット荷重変更手段は、例えば電動モータ３１とこの電動モータ３１の回転を直線運動に変換する変換機構部３２とからなっており、第１スプリング２８を圧縮することでセット荷重を増加させる。

これによれば、カム２７の回転を維持したまま、ＥＧＲ開口１８ａを閉鎖することができる。
タンブルポート３ＴからのＥＧＲガス導入を停止する場合、弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉鎖した状態を維持する必要が生じる。
この場合にカム２７を停止してしまうと、次にＥＧＲガス導入が再開された際にカム２７をクランクシャフトに同期させることが困難となる。
このため、カム２７の回転を継続した状態でＥＧＲ開口１８ａを閉鎖したままにすることが求められる。

本実施例は、第１スプリング２８のセット荷重を変更するセット荷重変更手段を有するため、図８に示すように、弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉鎖している状態でのセット荷重を最大荷重とすることができる。これによれば、カム２７の駆動に関係なく、第１スプリング２８の付勢力でＥＧＲ開口１８ａを閉鎖したままにすることができる。なお、その際のカムリフトは、第２スプリング２９が吸収することになる。

〔実施例４〕
実施例４の吸排気装置１を実施例３とは異なる点を中心に図１０、図１１を用いて説明する。なお、実施例３と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例の切替バルブ２４は、吸気管１２Ｔの管壁に回転可能に保持されるシャフト３３と、このシャフト３３に回転可能に保持される弁体２５と、シャフト３３に回転可能に保持されるレバー２６と、シャフト３３と一体的に回転する回転部材３４とを備える。
弁体２５とレバー２６とは互いに相対回転可能であり、回転部材３４は弁体２５及びレバー２６に対して相対回転可能である。

具体的に、弁体２５は、シャフト３３が挿通される貫通穴を有するアームを３本有しており、レバー２６は、シャフト３３が挿通される貫通穴を有するアームを２本有している。
弁体２５のアームを軸方向一端側からそれぞれ第１弁体アーム２５ａ、第２弁体アーム２５ｂ、第３弁体アーム２５ｃとし、レバー２６のアームを軸方向一端側からそれぞれ第１レバーアーム２６ａ、第２レバーアーム２６ｂとする。
第１レバーアーム２６ａは、シャフト３３の軸方向において、第１弁体アーム２５ａと第２弁体アーム２５ｂとの間に配され、第２レバーアーム２６ｂは、第２弁体アーム２５ｂと第３弁体アーム２５ｃとの間に配される。
そして、シャフト３３の軸方向一端には回転部材３４が固定されている。

第１スプリング２８は、ねじりばねであって、シャフト３３の外周に同軸的に配されると共に、第１弁体アーム２５ａと回転部材３４との間に保持されている。すなわち、第１スプリング２８の一端が回転部材３４に保持され、第１スプリング２８の他端が第１弁体アーム２５ａに保持されている。これにより、第１スプリング２８は、回転部材３４と弁体２５との相対回転によって捻じられることになる。

また、第２スプリング２９は、ねじりばねであって、シャフト３３の外周に同軸的に配されると共に、第２弁体アーム２５ｂと第２レバーアーム２６ｂとの間に保持されている。すなわち、第２スプリング２９の一端が第２弁体アーム２５ｂに保持され、第２スプリング２９の他端が第２レバーアーム２６ｂに保持されている。これにより、第２スプリング２９は、レバー２６と弁体２５との相対回転によって捻じられることになる。

また、本実施例のセット荷重変更手段は、回転部材３４及びシャフト３３を回転させて、第１スプリング２８を捩じる電動モータ３１である。

図１０は、弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉鎖した状態の図である。このとき、第１スプリング２８のセット荷重は、第２スプリング２９のセット荷重よりも大きく、弁体２５がＥＧＲ開口１８ａを閉鎖した状態に保たれている。
そして、カムリフト開始後しばらくの間は第２スプリング２９のみがねじられる状態となる。そして、第２スプリング２９がある程度ねじられて、第１スプリング２８とバネ荷重が等しくなると、第２スプリング２９を介して弁体２５にレバー２６の駆動が伝達され、弁体２５が回動し始める。

そして、図１１に示すように、弁体２５が新気開口１９ａの開口縁のバルブシートに当接すると、レバー２６の駆動は停止する。しかし、この後もカムリフトはしばらく続く。このカムリフトは、第２スプリング２９を捻じるために用いられる。

また、タンブルポート３ＴからのＥＧＲガス導入を停止する場合には、図１０に示す状態で、回転部材３４及びシャフト３３を電動モータ３１により回転し、第１スプリング２８をねじり、第１スプリング２８のバネ荷重を最大にする。
これにより、カム２７の回転が継続していても、第１スプリング２８の付勢力でＥＧＲ開口１８ａを閉鎖したままにすることができる。なお、その際のカムリフトによってレバー２６は動くが、レバー２６の駆動は第２スプリング２９で吸収されて弁体２５には伝達されない。

〔変形例〕
実施例１〜４では、カム２７のカムシャフトを吸気バルブ５を駆動するカムシャフトとベルト等で結合し、吸気バルブ５と同期して駆動するようにしていたが、カム２７のカムシャフトをモータによって駆動してもよい。例えば、モータにより回転するシャフトにそれぞれ気筒における切替バルブ２４を駆動するカム２７がリンク機構により連結する構造であってもよい。

また、実施例４では、弁体２５とレバー２６がシャフト３３に対して相対回転可能に保持され、回転部材３４がシャフト３３に固定されていたが、弁体２５とレバー２６とが互いに相対回転可能であり、回転部材３４と弁体２５とが互いに相対回転可能であればよく、例えば、シャフト３３に弁体２５が固定され、レバー２６と回転部材３４がシャフト３３に対して相対回転可能に保持されていてもよい。

１ 吸排気装置
３Ｔ タンブルポート
１２Ｔ 吸気管
１８ ＥＧＲ通路
１８ａ ＥＧＲ開口
１９ 新気通路
１９ａ 新気開口
２０ 合流部
２４ 切替バルブ

Claims (6)

1. 燃焼室にタンブル流を形成するタンブルポート（３Ｔ）に接続されて、吸気を前記燃焼室へ供給する吸気管（１２Ｔ）を備え、
   前記吸気管（１２Ｔ）は、ＥＧＲガスが供給されるＥＧＲ通路（１８）と、新気主体の吸気が供給される新気通路（１９）と、前記ＥＧＲ通路（１８）が接続するとともに前記新気通路（１９）が接続する合流部（２０）とを備え、
   前記合流部（２０）には、前記ＥＧＲ通路（１８）の開口（１８ａ）と前記新気通路（１９）の開口（１９ａ）とを交互に開閉する切替バルブ（２４）が設けられていることを特徴とする内燃機関の吸排気装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の吸排気装置において、
   前記切替バルブ（２４）は、
   内燃機関のクランクシャフトと同期して回転するカム（２７）により駆動するレバー（２６）と、
   前記レバー（２６）の駆動によって回動するとともに、一方側への回動によって前記ＥＧＲ通路（１８）の開口（１８ａ）を閉鎖し、他方側への回動によって前記新気通路（１９）の開口（１９ａ）を閉鎖する弁体（２５）と
   を有することを特徴とする内燃機関の吸排気装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の吸排気装置において、
   前記切替バルブ（２４）は、
   前記弁体（２５）に対して、前記ＥＧＲ通路（１８）の開口（１８ａ）を閉じる側への付勢力を付与する第１スプリング（２８）と、
   前記カム（２７）と前記弁体（２５）との間に設けられるとともに、前記弁体（２５）に対して、前記新気通路（１９）の開口（１９ａ）を閉じる側への付勢力を付与する第２スプリング（２９）とを有し、
   前記カム（２７）は、前記第１スプリング（２８）に抗して前記レバー（２６）を駆動することを特徴とする内燃機関の吸排気装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の吸排気装置において、
   前記切替バルブ（２４）は、
   前記弁体（２５）が前記ＥＧＲ通路（１８）の開口（１８ａ）を閉鎖している状態での前記第１スプリング（２８）のセット荷重が、前記第２スプリング（２９）のセット荷重よりも大きいことを特徴とする内燃機関の吸排気装置。
5. 請求項３または４に記載の内燃機関の吸排気装置において、
   前記切替バルブ（２４）は、
   前記弁体（２５）が前記ＥＧＲ通路（１８）の開口（１８ａ）を閉鎖している状態での前記第１スプリング（２８）のセット荷重を変更するセット荷重変更手段（３１、３２）を有することを特徴とする内燃機関の吸排気装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の吸排気装置において、
   前記切替バルブ（２４）は、
   前記弁体（２５）に対して相対回転可能な回転部材（３４）を有し、
   前記レバー（２６）が、前記弁体（２５）に対して相対回転可能であり、
   前記第１スプリング（２８）及び前記第２スプリング（２９）は、前記弁体（２５）の回転軸と同軸的に配されるねじりばねであって、
   前記第１スプリング（２８）は、前記弁体（２５）と前記回転部材（３４）との間に保持され、
   前記第２スプリング（２９）は、前記弁体（２５）と前記レバー（２６）との間に保持され、
   前記セット荷重変更手段（３１、３２）は、前記回転部材（３４）を回転させて、前記第１スプリング（２８）を捩じるモータ（３１）であることを特徴とする内燃機関の吸排気装置。

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