JP2015209798A - 過給機付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気の吹き抜けによる触媒の性能低下を防止しつつ、燃焼室の残留ガスを低減する過給機付き内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、吸気弁２２と第１排気弁２４の開弁期間がオーバーラップさせず、吸気弁２２と第２排気弁２８の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップさせ、第１及び第２排気弁２４，２８の開弁期間がオーバーラップさせないように、吸気弁２２と第１排気弁２４と第２排気弁２８をそれぞれ動作させる。吸気弁２２と第２排気弁２８の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップしているときに、排気が燃焼室１４から再循環通路２６を介して吸気通路１８に戻るので、吸気の吹き抜けによる排気触媒３８の悪影響を防ぎつつ、燃焼室１４の残留ガスを低減することができる。【選択図】図２

Description

本発明は過給機付き内燃機関に関する。

従来から、過給機付き内燃機関が知られている。例えば、下記特許文献１には、過給機のコンプレッサが設けられ、燃焼室に連通する吸気通路と、吸気通路を開閉する２つの吸気弁と、燃焼室から過給機のタービンに通ずる第１排気通路と、第１排気通路を開閉する第１排気弁と、燃焼室から排気触媒に通ずる第２排気通路と、第２排気通路を開閉する第２排気弁と、各弁を開閉動作させる開閉機構とを有するターボ式過給機付き内燃機関が記載されている。

このターボ式過給機付き内燃機関においては、第２排気弁の開弁時期と２つ吸気弁の開弁時期とが重なるバルブオーバーラップ期間が設定され、この期間に掃気を行い、燃焼室内の残留ガスの低減を図っている。

下記特許文献２には、シリンダの吸気ポートに設けられる吸気弁と、シリンダの排気ポートに設けられる排気弁と、シリンダの補助ポートに設けられる補助弁とを有する内燃機関が記載されている。この内燃機関においては、排気行程の終了時に補助弁を開いて、シリンダの残留ガスを補助ポートから吸気ポートへ戻している。

特開２０１１−２３１６９９号公報 特開平１１−１８２２５５号公報

上記特許文献１の過給機付き内燃機関においては、バルブオーバーラップ期間の掃気により、燃焼室の残留ガスを第２排出通路へと排出することができる。しかしながら、このオーバーラップ期間に、燃焼室に流入した吸気も第２排出通路へと流出する吹き抜け現象が生じてしまい、この吹き抜けによる吸気が排気触媒に悪影響を与えてしまうという問題がある。

上記特許文献２の内燃機関においては、シリンダ内の残留ガスを吸気ポートに戻すように構成されることで、吸気の吹き抜け現象により吸気が排気触媒へ達してしまうことを防止することができる。しかしながら、吸気弁及び排気弁とは異なる補助弁を設ける必要があり、構造が複雑になってしまう。

本発明の目的は、簡易な構成で、吸気の吹き抜け現象による排気触媒の悪影響を防止しつつ、燃焼室の残留ガスを低減することができる過給機付き内燃機関を提供することにある。

本発明は、燃焼室に連通する吸気通路と、吸気通路に設けられ、吸気を燃焼室に過給する過給機と、吸気通路を開閉する吸気弁と、燃焼室から排気触媒に通ずる排気通路と、排気通路を開閉する第１排気弁と、燃焼室から吸気通路に通じ、排気を再循環させる再循環通路と、再循環通路を開閉する第２排気弁と、吸気弁と第１排気弁と第２排気弁とを開閉する弁開閉部と、を有する過給器付き内燃機関において、弁開閉部は、吸気弁と第１排気弁の開弁期間がオーバーラップしないよう、吸気弁と第２排気弁の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップするよう、そして第１及び第２排気弁の開弁期間がオーバーラップしないように、吸気弁と第１排気弁と第２排気弁をそれぞれ動作させる第１バルブタイミングを有し、前記第１バルブタイミングの、吸気弁と第２排気弁の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップしているときに、排気が燃焼室から再循環通路を介して吸気通路に戻る、ことを特徴とする。

また、第１バルブタイミングは、燃焼室での燃焼後に第１排気弁を開閉し、第１排気弁が閉じた後に吸気弁と第２排気弁を同時に開き、その後、第２排気弁から吸気弁の順に閉じるように各弁をそれぞれ動作させることを含むことができる。

また、弁開閉部は、予め決められた高負荷条件時に前記第１バルブタイミングになり、前記高負荷条件時以外では第２バルブタイミングになり、前記第２バルブタイミングは、吸気弁と第１排気弁の開弁期間がオーバーラップしないよう、吸気弁と第２排気弁の開弁期間がオーバーラップしないよう、そして第１及び第２排気弁の開弁期間がオーバーラップするように、吸気弁と第１排気弁と第２排気弁をそれぞれ動作させることができる。

また、再循環通路と排気通路を接続するバイパス通路と、再循環通路の排気を、吸気通路に流すか、あるいはバイパス通路を介して排気通路に流すかを切り替える切替弁と、を有し、弁開閉部は、さらに切替弁を開閉し、弁開閉部は、第１バルブタイミングのとき、再循環通路の排気が吸気通路に流れるよう切替弁を動作させ、第２バルブタイミングのとき、再循環通路の排気が排気通路に流れるように切替弁を動作させることができる。

また、再循環通路には、ＥＧＲクーラが設けられることができる。

また、過給機が、吸気通路に設けられたコンプレッサと、排気通路に設けられたタービンとを有するターボ式過給機であることができる。

また、過給機が機械式過給機または電動式過給機であることができる。

また、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、燃料噴射弁は、第２排気弁が閉じてから吸気弁が閉じるまでの間に燃料を噴射することができる。

本発明の過給機付き内燃機関によれば、簡易な構成で、吸気の吹き抜け現象による排気触媒の悪影響を防止しつつ、燃焼室の残留ガスを低減することができる。

本実施形態に係るターボ式過給機付き内燃機関の構成を示す図である。 第１バルブタイミングを示す図である。 別の実施形態に係るターボ式過給機付き内燃機関の構成を示す図である。 トルクと回転数の関係を示す図である。 第２バルブタイミングを示す図である。 別の実施形態に係るターボ式過給機付き内燃機関の構成を示す図である。 別の実施形態に係る機械式スーパーチャージャ付き内燃機関の構成を示す図である。

以下、本発明に係る過給機付き内燃機関の実施形態について、図を用いて説明する。一例として、コンプレッサとタービンを有するターボ式過給機を挙げ、このターボ式過給機が設けられる内燃機関について説明する。なお、本発明は、過給機が、上記のようなターボ式に限らず、例えば機械式または電動式とすることもできる。また、本実施形態においては、一例として直列４気筒の内燃機関を挙げ説明するが、本発明はこの気筒の数４個に限定されず、３個以下であっても５個以上であっても良い。

図１は、本実施形態に係るターボ式過給機付き内燃機関の構成を示す図である。内燃機関１０は、その内部にピストン（図示せず）を備える気筒１２を有する。気筒１２内には、ピストン上面及びシリンダヘッド内面からなる燃焼室１４が形成される。気筒１２には、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６が設けられている。

気筒１２内のピストンは、図示しないが、クランク機構を介してクランク軸に接続されている。クランク軸の近傍には、図示しないが、クランク角度、エンジン回転数を検出するクランク角センサと、トルクを検出するためトルクセンサとが設けられている。

内燃機関１０は、吸気が流れる吸気通路１８と、排気が流れる排気通路２０とを有する。吸気通路１８は、吸気ポート１８ａを介して気筒１２に接続されている。吸気ポート１８ａには吸気弁２２が２個設けられ、この吸気弁２２の動作により、吸気通路１８が開閉する。なお、吸気弁２２の数２個は一例であり、本発明はこの数に限定されず、１つの気筒１２に対し吸気弁２２が１個であっても３個以上であっても良い。一方、排気通路２０は、排気ポート２０ａを介して気筒１２に接続されている。排気ポート２０ａには第１排気弁２４が設けられ、この第１排気弁２４の動作により、排気通路２０が開閉する。

また、内燃機関１０は、排気を吸気通路１８へと再循環させる再循環通路２６を有する。再循環通路２６は、一端が再循環ポート２６ａを介して気筒１２に接続され、他端が吸気通路１８に接続される。再循環ポート２６ａには第２排気弁２８が設けられ、この第２排気弁２８の動作により、再循環通路２６が開閉する。

吸気通路１８は燃焼室１４に連通し、大気から取り入れた空気を燃焼室１４へ供給する。吸気通路１８には、フィルターであるエアクリーナ３０と、空気を過給するターボ式過給機３２のコンプレッサ３２ａと、吸気を冷却するインタークーラ３４と、運転者からの出力要求に基づいて駆動するスロットルバルブ３６とが上流から下流に向けて順に設けられる。運転者からの出力要求は、例えばアクセル開度センサ（図示せず）により検出されるアクセル開度に基づいて求められる。そして、エアクリーナ３０とコンプレッサ３２ａとの間の吸気通路１８には、再循環通路２６が接続される。

排気通路２０は燃焼室１４から排気触媒３８に連通し、燃焼室１４から排出される排気を排気触媒３８に供給する。排気触媒３８は三元触媒である。排気通路２０には、燃焼室１４と排気触媒３８の間に、ターボ式過給機３２のタービン３２ｂが設けられる。タービン３２ｂはコンプレッサ３２ａに対して連結軸を介して接続されている。

再循環通路２６は燃焼室１４から吸気通路１８に連通し、燃焼室１４から排出される排気を吸気通路１８に供給し再循環させる。再循環通路２６には、排気を冷却するＥＧＲクーラ４０が設けられている。

また、内燃機関１０は、吸気弁２２と第１排気弁２４と第２排気弁２８とを駆動させて、これらの弁を開閉する弁開閉部（図示せず）を有する。弁開閉部は、第１排気弁２４と第２排気弁２８をそれぞれ独立させて動作させるように構成される。このように複数のバルブをそれぞれ独立させて動作させる装置は既に各種の技術文献が公知であり、新規な事項ではないので、詳細な説明は省略する。

本実施形態の弁開閉部は、吸気弁２２と第１排気弁２４の開弁期間がオーバーラップしないように、これらの弁２２，２４を動作させる。このように吸気弁２２と第１排気弁２４の開弁期間がオーバーラップしないので、吸気が排気通路２０に流出する吹き抜け現象を確実に防止することができる。吸気の吹き抜けが無くなり、排気触媒３８に対して酸素過多の空気の流入が防止されるので、排気触媒３８が空燃比リーンにならず、浄化の悪化と触媒の異常加熱を抑制できる。

また、本実施形態の弁開閉部は、吸気弁２２と第２排気弁２８の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップするように、これらの弁２２，２８を動作させる。このように吸気弁２２と第１排気弁２４の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップすることで、吸気により燃焼室１４内の残留ガスを掃気することができる。燃焼室１４から排出された残留ガスは排気となり、再循環通路２６を介して吸気通路１８に戻る。このような掃気により燃焼室１４内の残留ガスが低減するので、プレイグニッションまたはノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。また、このバルブ動作により、吸気も残留ガスとともに再循環通路２６に排出される。すなわち、この掃気においては、酸素を多く含むガスが、排気通路２０を介して排気触媒３８に流入せずに、吸気通路１８に供給される。また、再循環通路２６を通って再び燃焼室１４に供給されるガスは、一度気筒１２の外を経由することでガス温度が低下するので、プレイグニッションまたはノッキング等の異常燃焼を低減することができる。

また、本実施形態の弁開閉部は、第１及び第２排気弁２４，２８の開弁期間がオーバーラップしないように、これらの弁２４，２８を動作させる。このように第１及び第２排気弁２４，２８の開弁期間がオーバーラップしないので、排気通路２０と再循環通路２６の圧力差により、排気通路２０の排気が逆流し、再循環通路２６に流入してしまうことを防止することができる。排気通路２０の排気の逆流が防止されるので、ターボ式過給機３２の動作効率の低減を防止することができる。

弁開閉部は、上述のようなバルブタイミングで各弁２２，２４，２８を動作させる。以降、このバルブタイミングを第１バルブタイミングと記す。第１バルブタイミングについて、図２を用いて説明する。図２においては、グラフの縦軸がバルブリフト量を示し、横軸がクランク角を示す。

燃焼室１４における燃焼後、まず、排気行程において第１排気弁２４が開き、燃焼室１４から排出された排気が排気通路２０を通って排気触媒３８に供給される。第１排気弁２４が閉じた後、吸気弁２２と第２排気弁２８が開き、吸気通路１８から供給される吸気により燃焼室１４内の残留ガスを掃気する。このとき、燃焼室１４から排出された残留ガスは排気となり、再循環通路２６を介して吸気通路１８に戻る。そして、第２排気弁２８が閉じて掃気が終わり、吸気が行われる。その後、所定の期間ｔを空けてから吸気弁２２が閉じて、吸気行程が終わる。上記期間ｔには、燃焼室１４において燃料噴射弁１６から燃料が噴射される。

次に、別の実施形態の内燃機関４２について、図３を用いて説明する。図３は、別の実施形態に係るターボ式過給機付き内燃機関４２の構成を示す図である。なお、上述した実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

内燃機関４２は、再循環通路２６と排気通路２０を接続するバイパス通路４４と、再循環通路２６の排気を、吸気通路１８に流すか、あるいはバイパス通路４４を介して排気通路２０に流すかを切り替える切替弁４６とを有する。

バイパス通路４４は、一端が再循環通路２６のＥＧＲクーラ４０より燃焼室１４側に接続し、他端が排気通路２０のタービン３２ｂより燃焼室１４側に接続し、燃焼室１４から循環通路２６に排出される排気を排気通路２０へ流すことができる。

切替弁４６は、ＥＧＲクーラ４０とバイパス通路４４の接続部との間の再循環通路２６に設けられる第１切替弁４６ａと、バイパス通路４４に設けられる第２切替弁４６ｂとを有する。第１切替弁４６ａの動作により、再循環通路２６が開閉し、第２切替弁４６ｂの動作により、バイパス通路４４が開閉する。

本実施形態の弁開閉部は、さらに、第１及び第２切替弁４６ａ，４６ｂを駆動させ、これらの弁４６ａ，４６ｂを開閉する。具体的には、弁開閉部は、予め決められた高負荷条件時に第１バルブタイミングになり、上述のように吸気弁２２と第１及び第２排気弁２４，２８を動作させるとともに、第１切替弁４６ａを開弁し第２切替弁４６ｂを閉弁する。これにより、吸気弁２２と第２排気弁２８の開弁時期の少なくとも一部がオーバーラップする期間、掃気された再循環通路２６の排気を吸気通路１８に流すことができる。一方、弁開閉部は、高負荷条件時以外では第２バルブタイミングになり、第１切替弁４６ａを閉弁し第２切替弁４６ｂを開弁する。これにより、燃焼室１４から排出された再循環通路２６の排気をバイパス通路４４を介して排気通路２０に流すことができる。高負荷条件と第２タイミングについては、次に図４，５を用いて詳細に説明する。

図４は、トルクと回転数の関係を示す図である。高負荷条件時とは、図４に示される、トルクが高くかつ回転数が低いＡ領域のことである。一方、高負荷条件時以外とは、図４に示されるＢ領域のことである。内燃機関４２の制御部（図示せず）には、トルクと回転数の関係を示すマップが予め記憶され、クランク角センサとトルクセンサからの検出値に基づいて高負荷条件時か否かを判断することができる。弁開閉部は、高負荷条件時か否かに基づいて第１バルブタイミング又は第２バルブタイミングを設定する。第１バルブタイミングと第２バルブタイミングの違いは、第２排気弁２８と切替弁４６の動作である。第２排気弁２８の開閉時期を調整するために、弁開閉部は公知の可変バルブタイミング機構を備えることができる。なお、弁開閉部はバルブリフト量を変更可能とする公知のバルブリフト量可変機構も備えることができる。

図５は、第２バルブタイミングを示す図である。図５においては、グラフの縦軸がバルブリフト量を示し、横軸がクランク角を示す。弁開閉部は、高負荷条件時以下では第２バルブタイミングになる。第２バルブタイミングは、吸気弁２２と第１排気弁２４の開弁期間がオーバーラップしないよう、吸気弁２２と第２排気弁２８の開弁期間がオーバーラップしないよう、そして第１及び第２排気弁２４，２８の開弁期間がオーバーラップするように、各弁２２，２４，２８をそれぞれ動作させる。

具体的には、燃焼室１４における燃焼後、まず、排気行程において第１排気弁２４と第２排気弁２８が開く。これにより、燃焼室１４から排出された排気が、直接に排気通路２０を通って、または再循環通路２６からバイパス通路４４を介して排気通路２０を通って、排気触媒３８に供給される。第１排気弁２４及び第２排気弁２８が閉じた後、吸気弁２２が開き、吸気が行われる。その後、所定の期間を空けてから吸気弁２２が閉じて、吸気行程が終わる。この所定の期間には、燃料噴射弁１６から燃料が噴射され、燃焼室１４内で混合気が生成される。

高負荷条件時、燃焼室１４内に残留ガスが滞留していると、プレエミッション等の異常燃焼が発生しやすい。そこで、図２に示されるように吸気弁２２と第２排気弁２８の開弁時期がオーバーラップするように第２排気弁２８の開閉時期を調整するとともに、第１切替弁４６ａを開弁し第２切替弁４６ｂを閉弁する。このような弁開閉部の弁動作により、燃焼室１４内の掃気により残留ガスを低減することができ、再循環通路２６の排気を吸気通路１８に戻すことができる。

一方、高負荷条件時以下のときには、残留ガスによるプレエミッション等の異常燃焼が生じにくい。そこで、図５に示されるように第１及び第２排気弁２４，２８の開弁期間がオーバーラップするように第２排気弁２８の開閉時期を調整するとともに、第１切替弁４６を閉弁し第２切替弁４６ｂを開弁する。このような弁開閉部の弁動作により、通常の排気行程と吸気行程を行うことができる。

次に、別の実施形態のターボ式過給機付き内燃機関４８について、図６を用いて説明する。なお、図６においては、上述した実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示されるように、内燃機関４８は、さらに低圧ＥＧＲ装置５０を備えることができる。低圧ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５２と、ＥＧＲ通路５２に設けられたＥＧＲ弁５４とを有する。ＥＧＲ通路５２の一端は、タービン３２ｂと排気触媒３８の間の排気通路２０に接続され、他端はコンプレッサ３２ａの上流側の吸気通路１８に接続される。なお、低圧ＥＧＲ装置５０には、低圧ＥＧＲクーラ（図示せず）を設けることができる。

上述の３つの実施形態においては、過給機がターボ式である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば図７に示されるような、過給機を機械式とすることができる。

図７に示される内燃機関５６は、機械式過給機５８を有する。機械式過給機５８は、エアクリーナ３０とインタークーラ３４の間の吸気通路１８に設けられ、内燃機関５６のトルクで駆動される。なお、本発明はこの構成に限定されず、過給機が電動モータにより駆動される構成であってもよい。

１０，４２，４８，５６ 内燃機関、１２ 気筒、１４ 燃焼室、１５ 点火プラグ、１６ 燃料噴射弁、１８ 吸気通路、２０ 排気通路、２２ 吸気弁、２４ 第１排気弁、２６ 再循環通路、２８ 第２排気弁、３０ エアクリーナ、３２ ターボ式過給機、３４ インタークーラ、３６ スロットルバルブ、３８ 排気触媒、４０ ＥＧＲクーラ、４２ 内燃機関、４４ バイパス通路、４６ 切替弁、５０ 低圧ＥＧＲ装置、５２ ＥＧＲ通路、５４ ＥＧＲ弁、５８ 機械式過給機。

Claims (8)

1. 燃焼室に連通する吸気通路と、
   吸気通路に設けられ、吸気を燃焼室に過給する過給機と、
   吸気通路を開閉する吸気弁と、
   燃焼室から排気触媒に通ずる排気通路と、
   排気通路を開閉する第１排気弁と、
   燃焼室から吸気通路に通じ、排気を再循環させる再循環通路と、
   再循環通路を開閉する第２排気弁と、
   吸気弁と第１排気弁と第２排気弁とを開閉する弁開閉部と、
   を有する過給器付き内燃機関において、
   弁開閉部は、吸気弁と第１排気弁の開弁期間がオーバーラップしないよう、吸気弁と第２排気弁の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップするよう、そして第１及び第２排気弁の開弁期間がオーバーラップしないように、吸気弁と第１排気弁と第２排気弁をそれぞれ動作させる第１バルブタイミングを有し、
   前記第１バルブタイミングの、吸気弁と第２排気弁の開弁期間の少なくとも一部がオーバーラップしているときに、排気が燃焼室から再循環通路を介して吸気通路に戻る、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
2. 請求項１に記載の過給機付き内燃機関において、
   第１バルブタイミングは、燃焼室での燃焼後に第１排気弁を開閉し、第１排気弁が閉じた後に吸気弁と第２排気弁を同時に開き、その後、第２排気弁から吸気弁の順に閉じるように各弁をそれぞれ動作させることを含む、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
3. 請求項１に記載の過給機付き内燃機関において、
   弁開閉部は、予め決められた高負荷条件時に前記第１バルブタイミングになり、前記高負荷条件時以外では第２バルブタイミングになり、
   前記第２バルブタイミングは、吸気弁と第１排気弁の開弁期間がオーバーラップしないよう、吸気弁と第２排気弁の開弁期間がオーバーラップしないよう、そして第１及び第２排気弁の開弁期間がオーバーラップするように、吸気弁と第１排気弁と第２排気弁をそれぞれ動作させる、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
4. 請求項３に記載の過給機付き内燃機関において、
   再循環通路と排気通路を接続するバイパス通路と、
   再循環通路の排気を、吸気通路に流すか、あるいはバイパス通路を介して排気通路に流すかを切り替える切替弁と、
   を有し、
   弁開閉部は、さらに切替弁を開閉し、
   弁開閉部は、第１バルブタイミングのとき、再循環通路の排気が吸気通路に流れるよう切替弁を動作させ、第２バルブタイミングのとき、再循環通路の排気が排気通路に流れるように切替弁を動作させる、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、
   再循環通路には、ＥＧＲクーラが設けられる、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、
   過給機が、吸気通路に設けられたコンプレッサと、排気通路に設けられたタービンとを有するターボ式過給機である、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、
   過給機が機械式過給機または電動式過給機である、
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関。
8. 請求項２から７のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、
   燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、
   燃料噴射弁は、第２排気弁が閉じてから吸気弁が閉じるまでの間に燃料を噴射する、
   ことを特徴とする過給器付き内燃機関。

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