JP2013249747A

JP2013249747A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2013249747A
Application number: JP2012123415A
Authority: JP
Inventors: Akira Komatsu; 明小松
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP6003239B2

Abstract

【課題】内燃機関に関し、エンジンの燃費及び始動性を効果的に向上させる。
【解決手段】任意の気筒の吸排気バルブ及び燃料噴射を停止させる減筒運転が可能な内燃機関１０であって、低圧縮比気筒グループＡと、高圧縮比気筒グループＢと、吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態もしくは停止状態に選択的に切り替え可能な減筒運転制御手段３０，４０とを備え、減筒運転制御手段３０，４０は、運転状態が減筒運転領域内の低中負荷領域にある時は、低圧縮比気筒グループＡを停止状態にすると共に高圧縮比気筒グループＢを稼働状態にする一方、運転状態が減筒運転領域内の高負荷領域にある時は、高圧縮比気筒グループＢを停止状態にすると共に低圧縮比気筒グループＡを稼働状態にするようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、複数気筒のうち任意の気筒を休止させる減筒運転が可能な内燃機関に関する。

複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒を運転中に停止状態にできる内燃機関において、運転中に停止状態にされる気筒を高負荷運転点用に設定し、残りの気筒を低負荷運転点用に設定する技術が知られている。このような内燃機関は、例えば特許文献１に開示されている。

また、低圧縮比のシリンダ群と高圧縮比のシリンダ群とを備る多気筒ディーゼルエンジンにおいて、低中負荷運転時は低圧縮比のシリンダ群を停止させると共に高圧縮比のシリンダ群を稼働させ、高負荷運転時は高圧縮比のシリンダ群を停止させると共に低圧縮比のシリンダ群を稼働させる技術も知られている。このようなディーゼルエンジンは、例えば特許文献２に開示されている。

特開２００５−５１７１１５号公報特開平０３−２７５９４９号公報

ところで、上述の従来技術においては、低中負荷運転領域では高圧縮比設定の気筒を稼働させると共に低圧縮比設定の気筒を休止させるので、エンジンの燃焼効率向上により燃費の改善を図ることが期待される。しかしながら、従来技術では、休止させる気筒は燃料噴射を停止するのみで、吸排気バルブの開閉作動は停止させていない。そのため、減筒運転を実施したとしても、吸排気バルブの開閉作動によりポンピングフリクションが増加し、結果としてエンジンの燃費を十分に改善できない可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数気筒のうち任意の気筒を休止させる減筒運転が可能な内燃機関において、エンジンの燃費及び始動性を効果的に向上させることにある。

上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関は、複数気筒のうち任意の気筒の吸排気バルブ及び燃料噴射を停止させる減筒運転が可能な内燃機関であって、圧縮比を所定の低圧縮比に設定した少なくとも一つの低圧縮比気筒と、圧縮比を前記所定の低圧縮比よりも高く設定した少なくとも一つの高圧縮比気筒と、前記低圧縮比気筒及び前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態もしくは停止状態に選択的に切り替え可能な減筒運転制御手段とを備え、前記減筒運転制御手段は、前記内燃機関の運転状態が減筒運転領域内の所定の低中負荷領域にある時は、前記低圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを停止状態にすると共に前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態にする一方、前記内燃機関の運転状態が減筒運転領域内の所定の高負荷領域にある時は、前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを停止状態にすると共に前記低圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態にすることを特徴とする。

また、前記減筒運転制御手段は、前記内燃機関の運転状態が全筒運転領域にある時は、前記低圧縮比気筒及び前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態にすることが好ましい。

また、前記内燃機関のベース圧縮比に対して、前記低圧縮比気筒の圧縮比の減少割合を前記高圧縮比気筒の圧縮比の増加割合よりも大きく設定することが好ましい。

また、前記低圧縮比気筒から排出される排気で駆動するタービンを含む第１の高圧段過給機と、前記高圧縮比気筒から排出される排気で駆動するタービンを含む第２の高圧段過給機とを備えてもよい。

また、前記第１及び第２の過給機を通過した排気で駆動するタービンを含む低圧段過給機をさらに備えてもよい。

本発明の内燃機関によれば、エンジンの燃費及び始動性を効果的に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す全体構成図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御マップを示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関と比較例のエンジンとの全筒全負荷トルク線及び減筒全負荷トルク線を説明する図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関と比較例のエンジンとの各気筒の出力トルクを説明する図である。本発明の他の実施形態に係る内燃機関を示す全体構成図である。

以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関は、例えば直列６気筒のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０であって、減筒用バルブ休止機構３０と、低圧縮比用の高圧段ターボチャージャ２０と、高圧縮比用の高圧段ターボチャージャ２１と、低圧段ターボチャージャ２２と、低圧縮比用のＥＧＲ装置２３と、高圧縮比用のＥＧＲ装置２４と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０と、エンジン回転センサ４１と、アクセル開度センサ４２とを備えている。

エンジン１０の６個の気筒＃１〜６のうち、３個の気筒＃１〜３はベース圧縮比に対して圧縮比を低く設定した低圧縮比気筒グループＡとして構成され、他の３個の気筒＃４〜６はベース圧縮比に対して圧縮比を高く設定した高圧縮比気筒グループＢとして構成されている。本実施形態において、ベース圧縮比に対する増減割合は、低圧縮比気筒グループＡが高圧縮比気筒グループＢよりも大きくなるように、例えばベース圧縮比“ε１６”に対し低圧縮比気筒グループＡは“ε１４”、高圧縮比気筒グループＢは“ε１７”に設定されている。なお、設定する圧縮比はこれらの数値に限定されるものではなく、エンジン１０の仕様等に応じて適宜変更することが可能である。

低圧縮比気筒グループＡの吸気マニホールド１１ａには各気筒＃１〜３に新気を導入するための低圧縮比用の吸気通路１２ａが接続され、この吸気通路１２ａには吸気を冷却するインタークーラ１５ａが設けられている。高圧縮比気筒グループＢの吸気マニホールド１１ｂには各気筒＃４〜６に新気を導入するための高圧縮比用の吸気通路１２ｂが接続されて、この吸気通路１２ｂには吸気を冷却するインタークーラ１５ｂが設けられている。これら２本の吸気通路１２ａ，１２ｂは、高圧段ターボチャージャ２０，２１よりも吸気上流側でメイン吸気通路１２から分岐して形成されている。

低圧縮比気筒グループＡの排気マニホールド１３ａには気筒＃１〜３から排気を排出するための低圧縮比用の排気通路１４ａが接続され、高圧縮比気筒グループＢの排気マニホールド１３ｂには気筒＃４〜６から排気を排出するための高圧縮比用の排気通路１４ｂが接続されている。これら２本の排気通路１４ａ，１４ｂは、高圧段ターボチャージャ２０，２１よりも排気下流側でメイン排気通路１４に合流する。

減筒用バルブ休止機構３０は公知の構造であって、例えばロッカーアームを二分割して連結ピンを油圧等でスライドさせてバルブロストモーションさせることで、図示しない吸排気バルブを稼働状態から停止状態に切り替える。この減筒用バルブ休止機構３０の作動は、ＥＣＵ４０から入力される指示信号に応じて制御される。なお、減筒用バルブ休止機構３０は必ずしもロッカーアームを二分割した構造に限定されず、他の公知の構造を適用することも可能である。

低圧縮比用の高圧段ターボチャージャ２０は公知の可変容量型過給機であって、低圧縮比用の吸気通路１２ａに設けられたコンプレッサ２０ａと、低圧縮比用の排気通路１４ａに設けられたタービン２０ｂと、タービン２０ｂに設けられた可変翼（不図示）とを備えている。これらコンプレッサ２０ａとタービン２０ｂとは、回転軸を介して連結されている。この高圧段ターボチャージャ２０の可変翼の開度は、ＥＣＵ４０から入力される指示信号に応じて制御される。

高圧縮比用の高圧段ターボチャージャ２１は公知の可変容量型過給機であって、高圧縮比用の吸気通路１２ｂに設けられたコンプレッサ２１ａと、高圧縮比用の排気通路１４ｂに設けられたタービン２１ｂと、タービン２１ｂに設けられた可変翼（不図示）とを備えている。これらコンプレッサ２１ａとタービン２１ｂとは、回転軸を介して連結されている。この高圧段ターボチャージャ２１の可変翼の開度は、ＥＣＵ４０から入力される指示信号に応じて制御される。

低圧段ターボチャージャ２２は、メイン吸気通路１２に設けられたコンプレッサ２２ａと、メイン排気通路１４に設けられたタービン２２ｂとを備えている。これらコンプレッサ２２ａとタービン２２ｂとは、回転軸を介して連結されている。なお、低圧段ターボチャージャ２２は一段に限られず、複数段であってもよい。

低圧縮比用のＥＧＲ装置２３は、低圧縮比用の排気通路１４ａと低圧縮比用の吸気通路１２ａとを接続するＥＧＲ通路２３ａと、ＥＧＲ通路２３ａに設けられたＥＧＲクーラ２３ｂと、ＥＧＲ通路２３ａに設けられたＥＧＲバルブ２３ｃと、ＥＧＲ通路２３ａに設けられたＥＧＲ逆止弁２３ｄとを備えている。この低圧縮比用のＥＧＲ装置２３による排気の環流量（以下、ＥＧＲ量という）は、ＥＣＵ４０から入力される指示信号に応じてＥＧＲバルブ２３ｃの開度が制御されることで調整される。

高圧縮比用のＥＧＲ装置２４は、高圧縮比用の排気通路１４ｂと高圧縮比用の吸気通路１２ｂとを接続するＥＧＲ通路２４ａと、ＥＧＲ通路２４ａに設けられたＥＧＲクーラ２４ｂと、ＥＧＲ通路２４ａに設けられたＥＧＲバルブ２４ｃと、ＥＧＲ通路２４ａに設けられたＥＧＲ逆止弁２４ｄとを備えている。この高圧縮比用のＥＧＲ装置２４によるＥＧＲ量は、ＥＣＵ４０から入力される指示信号に応じてＥＧＲバルブ２４ｃの開度が制御されることで調整される。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ４０には、エンジン回転センサ４１、アクセル開度センサ４２等の各種センサの出力信号が入力される。

また、ＥＣＵ４０は、エンジン回転センサ４１及びアクセル開度センサ４２で検出されるエンジン１０の運転状態に基づいて、減筒用バルブ休止機構３０の作動を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、エンジン回転数とエンジン負荷率とをパラメータとする図２に示す制御マップが記憶されている。この制御マップ上には、エンジン１０の減筒運転領域内における低中負荷領域に対応する減筒高圧縮比運転領域Ｘと、この減筒運転領域内における高負荷領域に対応する減筒低圧縮比運転領域Ｙと、この減筒運転領域よりも高負荷の全筒運転領域Ｚとが設定されている。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０の運転状態が制御マップ上の減筒高圧縮比運転領域Ｘにある時は、低圧縮比気筒グループＡの吸排気バルブを停止状態にすると共に、高圧縮比気筒グループＢの吸排気バルブを稼働状態にする指示信号を減筒用バルブ休止機構３０に出力する。また、これと同時に、ＥＣＵ４０は低圧縮比気筒グループＡの各気筒＃１〜３の図示しないインジェクタに燃料噴射を停止させる指示信号も出力する。これにより、低圧縮比気筒グループＡを休止させると共に、高圧縮比気筒グループＢを稼働させてエンジン１０を運転する減筒運転が実行される。

また、ＥＣＵ４０は、エンジン１０の運転状態が制御マップ上の減筒低圧縮比運転領域Ｙにある時は、高圧縮比気筒グループＢの吸排気バルブを停止状態にすると共に、低圧縮比気筒グループＡの吸排気バルブを稼働状態にする指示信号を減筒用バルブ休止機構３０に出力する。また、これと同時に、ＥＣＵ４０は高圧縮比気筒グループＢの各気筒＃４〜６の図示しないインジェクタに燃料噴射を停止させる指示信号も出力する。これにより、高圧縮比気筒グループＢを休止させると共に、低圧縮比気筒グループＡを稼働させてエンジン１０を運転する減筒運転が実行される。

さらに、ＥＣＵ４０は、エンジン１０の運転状態がマップ上の全筒運転領域Ｚにある時は、低圧縮比気筒グループＡ及び高圧縮比気筒グループＢの全ての吸排気バルブを稼働状態にする指示信号を減筒用バルブ休止機構３０に出力する。これにより、エンジン１０の運転状態が全筒運転領域Ｚにある時は、低圧縮比気筒グループＡと高圧縮比気筒グループＢとを稼働させてエンジン１０を運転する全筒運転が実行される。

次に、本実施形態に係るエンジン１０の作用効果について説明する。この作用効果を説明するために、ベース圧縮比“ε１６”に対して低圧縮比気筒グループＡが“ε１４”、高圧縮比気筒グループＢが“ε１７”に設定された本実施形態のエンジン１０を、以下の表１に示す二種類のエンジンと比較する。なお比較例１のエンジンは全６気筒が同一のベース圧縮比“ε１６”で設定され、比較例２のエンジンはベース圧縮比“ε１６”に対して同一の増減割合で低圧縮比気筒グループＡが“ε１５”、高圧縮比気筒グループＢが“ε１７”に設定されている。

一般的にエンジンの圧縮比を低く設定すると、エンジンの燃焼は悪化し、結果としてエンジンの熱効率が低下するため、エンジンの燃費は悪化する。これを回避するために、本実施形態のエンジン１０は、減筒運転領域内において筒内最大圧（以下、Ｐ−ＭＡＸという）に制限が入らない低中負荷領域では、二つの気筒グループのうち高圧縮比気筒グループＢを稼働させる。すなわち、全６気筒を同一のベース圧縮比“ε１６”に設定した比較例１のエンジンに比べ、本実施形態のエンジン１０は、減筒運転領域内における低中負荷領域でベース圧縮比“ε１６”よりも高い高圧縮比“ε１７”で運転することが可能に構成されている。

したがって、本実施形態のエンジン１０によれば、減筒運転領域においてエンジンの熱効率が上昇して、エンジン１０の燃費を効果的に向上することができる。同時に、低負荷時や低温時に発生しやすいＨＣ・ＣＯ等の排ガス低減を図ることができると共に、エンジン１０の始動性も向上することができる。

また、減筒運転システムを備えたエンジンにおいて、燃費低減効果を高めるには、減筒運転領域を拡大させればよい。具体的には、燃料噴射量を増加させればよいが、Ｐ−ＭＡＸに制限があるため、この手法には限界がある。本実施形態のエンジン１０では、減筒運転領域内における高負荷領域で低圧縮比気筒グループＡを稼働させるので、全６気筒を同一のベース圧縮比“ε１６”に設定した比較例１のエンジンに比べ、燃料噴射量を増加することが可能に構成されている。

したがって、本実施形態のエンジン１０によれば、燃料噴射量の増加により、図３に示すようにエンジン１０の減筒全負荷トルク線α₀は比較例１の減筒全負荷トルク線α₁よりも高くなり、減筒運転領域を増加させることが可能となり、結果としエンジン１０の燃費を確実に向上することができる。

また、本実施形態のエンジン１０は、減筒運転領域において低圧縮比気筒グループＡ、もしくは、高圧縮比気筒グループＢの何れか一方の気筒グループを休止させる場合は吸排気バルブと燃料噴射とを停止状態にする。

したがって、本実施形態のエンジン１０によれば、減筒運転時に単に気筒への燃料噴射を停止させる従来例に比べて、吸排気バルブの開閉作動によるポンピングフリクションを低減することが可能となり、エンジン１０の燃費をより効果的に向上することができる。

また、本実施形態のエンジン１０は、エンジン１０の運転状態が全筒運転領域にある時は、低圧縮比気筒グループＡと高圧縮比気筒グループＢとの双方の気筒グループを稼働状態にする。ここで、本実施形態のエンジン１０では、ベース圧縮比に対する増減割合は、低圧縮比気筒グループＡが高圧縮比気筒グループＢよりも大きく設定されている（低圧縮比気筒グループＡがベース圧縮比“ε１６”に対してマイナス２の“ε１４”、高圧縮比気筒グループＢがベース圧縮比“ε１６”に対してプラス１の“ε１７”）。

すなわち、図４に示すように、各気筒のＰ−ＭＡＸを例えば１６ＭＰａとすると、低圧縮比気筒グループＡの各気筒の最大トルクは約３５０Ｎｍ、高圧縮比気筒グループＢの各気筒の最大トルクは約２００Ｎｍとなり、エンジン１０の最大出力は約１６５０Ｎｍ（＝３５０Ｎｍ＊３＋２００Ｎｍ＊３）になる。これに対し、Ｐ−ＭＡＸが同じ１６ＭＰａの場合、比較例１の最大出力は約１５００Ｎｍ（＝２５０Ｎｍ＊６）で、比較例２のエンジンの最大出力は約１５００Ｎｍ（＝３００Ｎｍ＊３＋２００Ｎｍ＊３）になる。結果として、本実施形態のエンジン１０は、比較例１や比較例２のエンジンに対して最大出力を約１５０Ｎｍほど増加させることが可能になる。

したがって、本実施形態のエンジン１０によれば、ベース圧縮比に対する増減割合を低圧縮比気筒グループＡが高圧縮比気筒グループＢよりも大きくなるように設定したことで、図３に示すように、従来の全筒全負荷トルク線β₁を本システム採用時の全筒全負荷トルク線β₀へ拡大が可能となり、結果として、エンジン１０の高出力化とダウンサイジング化との両立を図ることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、第一実施形態において、図５に示すように、低圧縮比気筒グループＡの吸気系と高圧縮比気筒グループＢの吸気系とを統合してインタークーラ１５ａ，１５ｂを一つにしてもよい。この場合、低圧段ターボチャージャ２２よりも吸気下流側で分岐する低圧縮比用の吸気通路１２ａと高圧縮比用の吸気通路１２ｂとを、インタークーラ１５よりも吸気上流側で合流させると共に、これら吸気通路１２ａ，１２ｂにそれぞれ吸気の流路を切り替える開閉バルブ１６ａ，１６ｂを設ければよい。

また、エンジン１０は、直列６気筒のエンジンに限定されず、Ｖ型エンジンや６気筒以外の多気筒エンジンであってもよい。

１０エンジン（内燃機関）
３０減筒用バルブ休止機構（減筒運転制御手段）
４０ＥＣＵ（減筒運転制御手段）
２０高圧段ターボチャージャ（第１の高圧段過給機）
２１高圧段ターボチャージャ（第２の高圧段過給機）
２２低圧段ターボチャージャ（低圧段過給機）
Ａ低圧縮比気筒グループ
Ｂ高圧縮比気筒グループ

Claims

複数気筒のうち任意の気筒の吸排気バルブ及び燃料噴射を停止させる減筒運転が可能な内燃機関であって、
圧縮比を所定の低圧縮比に設定した少なくとも一つの低圧縮比気筒と、
圧縮比を前記所定の低圧縮比よりも高く設定した少なくとも一つの高圧縮比気筒と、
前記低圧縮比気筒及び前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態もしくは停止状態に選択的に切り替え可能な減筒運転制御手段と、を備え、
前記減筒運転制御手段は、
前記内燃機関の運転状態が減筒運転領域内の所定の低中負荷領域にある時は、前記低圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを停止状態にすると共に前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態にする一方、前記内燃機関の運転状態が減筒運転領域内の所定の高負荷領域にある時は、前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを停止状態にすると共に前記低圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態にすることを特徴とする内燃機関。
前記減筒運転制御手段は、
前記内燃機関の運転状態が全筒運転領域にある時は、前記低圧縮比気筒及び前記高圧縮比気筒の吸排気バルブと燃料噴射とを稼働状態にする請求項１に記載の内燃機関。
前記内燃機関のベース圧縮比に対して、前記低圧縮比気筒の圧縮比の減少割合を前記高圧縮比気筒の圧縮比の増加割合よりも大きく設定した請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記低圧縮比気筒から排出される排気で駆動するタービンを含む第１の高圧段過給機と、
前記高圧縮比気筒から排出される排気で駆動するタービンを含む第２の高圧段過給機と、を備える請求項１から３の何れかに記載の内燃機関。
前記第１及び第２の過給機を通過した排気で駆動するタービンを含む低圧段過給機をさらに備える請求項４に記載の内燃機関。