JP2016011588A - Reciprocating piston engine valve gear control unit - Google Patents
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Abstract
Description
ここに開示する技術は、往復動ピストンエンジンの動弁制御装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a valve control device for a reciprocating piston engine.
例えば特許文献1には、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、排気行程中に開弁した排気弁を、吸気行程中にもう一度開弁することによって、排気ポートに排出した排気ガスの一部を気筒内に再導入する、いわゆる排気弁の二度開きを行うことが記載されている。このエンジンは、排気弁の開閉時期の位相を変更することにより、気筒内に導入する排気ガス量(つまり、内部EGRガス量)を調整する。気筒内に導入する内部EGRガス量を調整することによって、気筒内の温度が調整され、その結果、自着火のタイミングを制御することが可能になる。
For example, in
また、特許文献2には、特許文献1と同様に、排気弁の二度開きによって、排気ガスの一部を気筒内に導入する圧縮自着火ガソリンエンジンが記載されている。このエンジンでは、排気行程中に開弁する排気弁のバルブリフトカーブと、吸気行程中に開弁する排気弁のバルブリフトカーブとを、排気上死点を挟んだ進角側から遅角側まで連続させることが記載されている。これにより、排気上死点後にピストンが下降する際に、少なくとも排気弁が開弁しているため、ポンプ損失が小さくなり、燃費性能が高まる。
Patent Document 2 describes a compression self-ignition gasoline engine in which a part of exhaust gas is introduced into a cylinder by opening the exhaust valve twice, as in
ところで、気筒内の混合気を制御自着火(Controlled Auto Ignition:CAI)、又は、圧縮着火(Compression Ignition:CI)により燃焼させるエンジンにおいて、負荷の低い運転領域では、着火性を向上させるために大量の内部EGRガスを気筒内に導入する必要がある。例えば特許文献2に記載されているように、排気弁の開弁状態を、排気行程中から吸気行程中まで連続させることは、気筒内に導入する排気ガス量を増やす上で有利な構成である。しかしながらこの構成は、ピストンが上死点に至ったときの排気弁のリフト量が、ピストン上面との干渉を避けるために、所定量以下に制限される。このため、内部EGRガス量をさらに増やすことは難しい。 By the way, in an engine in which an air-fuel mixture in a cylinder is burned by controlled auto ignition (CAI) or compression ignition (CI), a large amount is used to improve ignitability in an operation region where the load is low. It is necessary to introduce the internal EGR gas into the cylinder. For example, as described in Patent Document 2, it is advantageous for increasing the amount of exhaust gas introduced into the cylinder to keep the exhaust valve open from the exhaust stroke to the intake stroke. . However, in this configuration, the lift amount of the exhaust valve when the piston reaches top dead center is limited to a predetermined amount or less in order to avoid interference with the upper surface of the piston. For this reason, it is difficult to further increase the amount of internal EGR gas.
CAI燃焼の安定化のためには、幾何学的圧縮比を高くすることも有効である。ところが、幾何学的圧縮比を高くすると、ピストンが上死点に至ったときの、ピストン上面と燃焼室の天井面(つまり、シリンダヘッド下面)との距離は短くなる。そのため、ピストンが上死点付近にあるときの排気弁のリフト量を、さらに小さくしなければならない。幾何学的圧縮比の高いエンジンでは、内部EGRガス量を十分に確保することが困難になる。 To stabilize CAI combustion, it is also effective to increase the geometric compression ratio. However, when the geometric compression ratio is increased, the distance between the upper surface of the piston and the ceiling surface of the combustion chamber (that is, the lower surface of the cylinder head) when the piston reaches top dead center is shortened. Therefore, the lift amount of the exhaust valve when the piston is near top dead center must be further reduced. In an engine having a high geometric compression ratio, it is difficult to ensure a sufficient amount of internal EGR gas.
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大量の内部EGRガス量を確保することが可能な構成を実現することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of the above points, and an object thereof is to realize a configuration capable of securing a large amount of internal EGR gas.
ここに開示する技術は、往復動ピストンエンジンの動弁制御装置に係り、この装置は、気筒を有するエンジン本体と、前記気筒内に嵌挿されかつ、当該気筒内を往復動するよう構成されたピストンと、前記気筒内にガスを吸入する吸気ポートを開閉するよう構成された吸気弁と、前記気筒内からガスを排出する排気ポートを開閉するよう構成された排気弁と、前記吸気弁を開閉駆動するように構成された吸気弁駆動機構と、前記排気弁を開閉駆動するように構成された排気弁駆動機構と、を備える。 The technology disclosed herein relates to a valve control device for a reciprocating piston engine, and this device is configured to be inserted into the cylinder and reciprocate within the cylinder. A piston, an intake valve configured to open and close an intake port for sucking gas into the cylinder, an exhaust valve configured to open and close an exhaust port for exhausting gas from the cylinder, and open and close the intake valve An intake valve drive mechanism configured to drive, and an exhaust valve drive mechanism configured to open and close the exhaust valve.
そして、前記吸気弁駆動機構は、吸気行程中にピークを有するリフトカーブの開弁側に、当該ピークよりも低いリフト量で前記吸気弁の開弁状態がクランク角の進行に対して維持されるリフト棚部を有するように、前記吸気弁を開弁し、前記排気弁駆動機構は、排気行程中にピークを有するリフトカーブの閉弁側に、当該ピークよりも低いリフト量で前記排気弁の開弁状態がクランク角の進行に対して維持されるリフト棚部を有するように、前記排気弁を開弁し、前記吸気弁駆動機構及び前記排気弁駆動機構はそれぞれ、前記吸気弁の開閉時期及び前記排気弁の開閉時期を変更することによって、内部EGRガス量の調整を行うと共に、前記吸気弁の開時期を最も進角しかつ、前記排気弁の閉時期を最も遅角したときに、前記吸気弁のリフト棚部及び前記排気弁のリフト棚部が共に、前記ピストンの上死点に位置するように構成されている。 Then, the intake valve drive mechanism maintains the open state of the intake valve with respect to the progress of the crank angle on the valve opening side of the lift curve having a peak during the intake stroke with a lift amount lower than the peak. The intake valve is opened so as to have a lift shelf, and the exhaust valve drive mechanism has a lift amount lower than the peak on the valve closing side of the lift curve having a peak during the exhaust stroke. The exhaust valve is opened so that the valve opening state is maintained with respect to the crank angle, and the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism And adjusting the internal EGR gas amount by changing the opening / closing timing of the exhaust valve, when the opening timing of the intake valve is advanced most and the closing timing of the exhaust valve is delayed most, Lift of the intake valve Parts and lift ledge of the exhaust valve are both being configured to be positioned top dead center of the piston.
この構成によると、吸気弁のリフトカーブは、その開弁側にリフト棚部を有している。リフト棚部では、クランク角の進行に対して所定のリフト量で吸気弁の開弁状態が維持されるため、吸気弁は、開弁後、リフト棚部において開弁状態を維持した後、吸気行程中のピークを経て閉弁に至る。排気弁のリフトカーブは、その閉弁側にリフト棚部を有している。従って排気弁は、開弁後、排気行程中のピークを経た後、リフト棚部において開弁状態を維持して閉弁に至る。 According to this configuration, the lift curve of the intake valve has the lift shelf on the valve opening side. In the lift shelf, the intake valve is kept open with a predetermined lift amount with respect to the progress of the crank angle. Therefore, after the intake valve is opened, the intake shelf is kept in the open state after the valve is opened. The valve closes through a peak in the process. The lift curve of the exhaust valve has a lift shelf on the valve closing side. Therefore, after the exhaust valve has opened, after passing through a peak during the exhaust stroke, the exhaust valve maintains the valve open state at the lift shelf and closes.
吸気弁を排気行程中に開弁することにより、気筒内の排気ガスの一部が吸気ポートに排出され、その排気ガスは新気と共に、気筒内に再導入される。また、排気弁を吸気行程中に開弁することにより、排気行程中に排気ポートに排出された排気ガスの一部が、吸気行程中に、気筒内に再導入される。 By opening the intake valve during the exhaust stroke, a part of the exhaust gas in the cylinder is discharged to the intake port, and the exhaust gas is reintroduced into the cylinder together with fresh air. Further, by opening the exhaust valve during the intake stroke, part of the exhaust gas discharged to the exhaust port during the exhaust stroke is reintroduced into the cylinder during the intake stroke.
気筒内に導入される排気ガス量(つまり、内部EGRガス量)は、排気行程中に開弁する吸気弁のリフトカーブの面積、及び、吸気行程中に開弁する排気弁のリフトカーブの面積に関係する。当該面積が大きいほど、気筒内に導入される排気ガス量が増える。従来の、排気弁の二度開きによって、気筒内に排気ガスの一部を導入する構成では、吸気行程中に開弁する排気弁のリフトカーブの面積によって、気筒内に導入する排気ガスの量が決定される。 The amount of exhaust gas introduced into the cylinder (that is, the amount of internal EGR gas) depends on the area of the lift curve of the intake valve that opens during the exhaust stroke and the area of the lift curve of the exhaust valve that opens during the intake stroke Related to. The larger the area, the greater the amount of exhaust gas introduced into the cylinder. In a conventional configuration in which part of the exhaust gas is introduced into the cylinder by opening the exhaust valve twice, the amount of exhaust gas introduced into the cylinder depends on the area of the lift curve of the exhaust valve that opens during the intake stroke. Is determined.
これに対し、前記の構成では、排気弁のリフトカーブにリフト棚部を設けることによって吸気行程中に開弁する排気弁のリフトカーブの面積が大きくなることに加えて、吸気弁のリフトカーブにリフト棚部を設けることによって排気行程中に開弁する吸気弁のリフトカーブの面積が大きくなる。従って、この構成は、従来の排気弁の二度開きを行う構成と比較して、内部EGRガス量の最大量を多くする上で有利になる。 On the other hand, in the above-described configuration, by providing the lift shelf on the lift curve of the exhaust valve, the area of the lift curve of the exhaust valve that opens during the intake stroke increases, and in addition, the lift curve of the intake valve By providing a lift shelf, the area of the lift curve of the intake valve that opens during the exhaust stroke is increased. Therefore, this configuration is advantageous in increasing the maximum amount of internal EGR gas compared to the conventional configuration in which the exhaust valve is opened twice.
また、前記の構成では、吸気弁の開時期を最も進角しかつ、排気弁の閉時期を最も遅角したときに、吸気弁のリフト棚部及び排気弁のリフト棚部が共に、ピストンの上死点に位置するように構成されている。吸気弁及び排気弁の開閉時期を変更する構成としては、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変更する油圧式又は電動式の可変バルブタイミング機構を採用することが可能である。但し、これらの構成に限定されるものではない。 In the above configuration, when the opening timing of the intake valve is advanced most and the closing timing of the exhaust valve is retarded most, both the lift shelf of the intake valve and the lift shelf of the exhaust valve are It is configured to be located at the top dead center. As a configuration for changing the opening / closing timing of the intake valve and the exhaust valve, it is possible to employ a hydraulic or electric variable valve timing mechanism that changes the rotational phase of the camshaft with respect to the crankshaft. However, it is not limited to these structures.
吸気弁のリフト棚部のリフト量及び排気弁のリフト棚部のリフト量はそれぞれ、上死点に位置しているピストンの上面との干渉を避けるために制限される。しかしながら、吸気弁及び排気弁の両方にリフト棚部を設けるため、リフト棚部のリフト量がそれぞれ小さくても、大量の内部EGRガス量を確保することが可能になる。これは特に、エンジン本体の幾何学的圧縮比が高くて、ピストンが上死点に位置したときの、ピストン上面と燃焼室の天井面との距離が短いときに、内部EGRガス量を多く確保する上で有利になる。従って、このエンジンは、大量の内部EGRガス量と、高い幾何学的圧縮比とを両立させることができるため、自着火燃焼に適したエンジンとなる。 The lift amount of the lift shelf of the intake valve and the lift amount of the lift shelf of the exhaust valve are limited to avoid interference with the upper surface of the piston located at the top dead center. However, since the lift shelves are provided for both the intake valve and the exhaust valve, a large amount of internal EGR gas can be secured even if the lift amount of the lift shelves is small. This ensures a large amount of internal EGR gas especially when the geometric compression ratio of the engine body is high and the distance between the piston upper surface and the combustion chamber ceiling surface is short when the piston is located at the top dead center. This is advantageous. Therefore, since this engine can achieve both a large amount of internal EGR gas and a high geometric compression ratio, the engine is suitable for self-ignition combustion.
ここで、吸気弁及び排気弁のリフト棚部のリフト量は、内部EGRガス量を多く確保する観点からは、ピストン上面との干渉を回避する限度において、最大のリフト量にすることが好ましい。但し、最大のリフト量にすることに限定されるものではない。また、吸気弁及び排気弁のリフト棚部のリフト量は、その最大のリフト量で、クランク角の進行に対して一定にすることが望ましいが、クランク角の進行に対してリフト量を増減させてもよい。さらに、リフト棚部のリフト量は、吸気弁と排気弁とで同じにしてもよいし、互いに異なってもよい。例えばピストンの上面の形状や、オフセットクランクの採用等によって、吸気弁のリフト棚部のリフト量と、排気弁のリフト棚部のリフト量とを同じにすることができないことも起こり得る。 Here, from the viewpoint of securing a large amount of internal EGR gas, the lift amount of the lift shelves of the intake valve and the exhaust valve is preferably set to the maximum lift amount as long as interference with the piston upper surface is avoided. However, it is not limited to the maximum lift amount. In addition, the lift amount of the lift shelf of the intake valve and the exhaust valve is preferably the maximum lift amount and should be constant with the progress of the crank angle, but the lift amount is increased or decreased with the progress of the crank angle. May be. Furthermore, the lift amount of the lift shelf may be the same for the intake valve and the exhaust valve, or may be different from each other. For example, the lift amount of the lift shelf of the intake valve and the lift amount of the lift shelf of the exhaust valve may not be the same due to the shape of the upper surface of the piston, the use of an offset crank, or the like.
さらに、吸気弁駆動機構によって吸気弁の開閉時期を変更することに伴い、リフト棚部の位相が変更されるため、排気行程中に開弁する吸気弁のリフトカーブの面積が変更され、同様に、排気弁駆動機構によって排気弁の開閉時期を変更することに伴い、リフト棚部の位相が変更されるため、吸気行程中に開弁する排気弁のリフトカーブの面積が変更される。従って、本構成は、吸気弁駆動機構によって吸気弁の開閉時期を変更することと、排気弁駆動機構によって排気弁の開閉時期を変更することとの両方を行うことにより、内部EGRガス量を調整することが可能になる。内部EGRガス量は、エンジンの運転状態に対応して調整される。 Furthermore, as the opening / closing timing of the intake valve is changed by the intake valve driving mechanism, the phase of the lift shelf is changed, so the area of the lift curve of the intake valve that opens during the exhaust stroke is changed. As the opening / closing timing of the exhaust valve is changed by the exhaust valve driving mechanism, the phase of the lift shelf is changed, so that the area of the lift curve of the exhaust valve that opens during the intake stroke is changed. Therefore, this configuration adjusts the internal EGR gas amount by both changing the opening / closing timing of the intake valve by the intake valve driving mechanism and changing the opening / closing timing of the exhaust valve by the exhaust valve driving mechanism. It becomes possible to do. The internal EGR gas amount is adjusted corresponding to the operating state of the engine.
ここで、一般的に、吸気弁や排気弁の開閉時期の変更を、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を油圧又は電動によって変更する構成では、その変更に要する時間(つまり、位相の変更速度)は、駆動機構の構成により制約を受ける(つまり、ハードウエア限界)。例えば運転者のアクセル操作によるエンジンの運転状態の変化に対応して、内部EGRガス量を減少又は増大しようとしても、従来の排気弁の二度開きを行う構成では、排気弁の開閉時期を変更することだけで内部EGRガス量を変化させるため、排気弁の位相変更に係るハードウエア限界によって、内部EGRガス量の変化に比較的長い時間を要することになる。その結果、従来の構成では、運転者のアクセル操作に対する、エンジンの運転状態の変化の応答性が低下してしまう。 Here, in general, in the configuration in which the opening / closing timing of the intake valve or the exhaust valve is changed by changing the rotational phase of the camshaft relative to the crankshaft by hydraulic pressure or electricity, the time required for the change (that is, the phase change speed) Are constrained by the configuration of the drive mechanism (ie, hardware limitations). For example, in response to changes in the operating state of the engine due to the driver's accelerator operation, even if the internal EGR gas amount is to be reduced or increased, the conventional exhaust valve opening / closing timing changes the opening / closing timing of the exhaust valve. Since the internal EGR gas amount is changed only by this, a relatively long time is required for the change of the internal EGR gas amount due to the hardware limit related to the phase change of the exhaust valve. As a result, in the conventional configuration, the responsiveness of changes in the operating state of the engine to the driver's accelerator operation is reduced.
これに対し、前記の構成では、内部EGRガス量を調整するときには、吸気弁及び排気弁の両方の開閉時期を変更する。このため、吸気弁側及び排気弁側それぞれの位相変更量が合わさって、位相変更量を従来のほぼ2倍にすることが可能になる。目標の内部EGRガス量にまで変化するために要する時間は、ハードウエア限界が従来と同じであっても、従来構成のほぼ1/2になる。その結果、運転者のアクセル操作に対する、エンジンの運転状態の変化の応答性が、従来構成と比較して大幅に高まる。 On the other hand, in the above configuration, when the internal EGR gas amount is adjusted, the opening / closing timings of both the intake valve and the exhaust valve are changed. For this reason, the phase change amounts on the intake valve side and the exhaust valve side can be combined, and the phase change amount can be almost doubled compared to the conventional method. The time required to change to the target internal EGR gas amount is almost ½ of the conventional configuration even if the hardware limit is the same as the conventional one. As a result, the responsiveness of the change in the operating state of the engine with respect to the driver's accelerator operation is significantly increased as compared with the conventional configuration.
前記吸気弁駆動機構及び前記排気弁駆動機構はそれぞれ、前記エンジン本体の運転状態が所定の低負荷領域にあって前記気筒内の混合気を自着火燃焼するときに、前記吸気弁の開時期を最も進角しかつ、前記排気弁の閉時期を最も遅角することで、前記内部EGRガス量が最大となるようにする、としてもよい。 Each of the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism controls the opening timing of the intake valve when the operating state of the engine body is in a predetermined low load region and the air-fuel mixture in the cylinder self-ignites and burns. The internal EGR gas amount may be maximized by advancing the most and delaying the closing timing of the exhaust valve the most.
前述したように、この構成は、内部EGRガス量の最大量を多くすることが可能である。そのため、自着火燃焼の着火性及び/又は安定性が低下する低負荷領域において、大量の内部EGRガスを気筒内に導入することで、自着火燃焼の着火性及び/又は安定性が高まる。 As described above, this configuration can increase the maximum amount of internal EGR gas. Therefore, the ignitability and / or stability of self-ignition combustion is improved by introducing a large amount of internal EGR gas into the cylinder in a low load region where the ignitability and / or stability of self-ignition combustion is reduced.
前記吸気弁駆動機構は、前記吸気弁の閉時期が下死点前30°〜下死点後70°CAの範囲となるように、前記吸気弁の開閉時期を調整する、としてもよい。 The intake valve drive mechanism may adjust the opening / closing timing of the intake valve so that the closing timing of the intake valve is in a range of 30 ° before bottom dead center to 70 ° CA after bottom dead center.
また、前記排気弁駆動機構は、前記排気弁の開時期が下死点前70°〜下死点後30°CAの範囲となるように、前記排気弁の開閉時期を調整する、としてもよい。 The exhaust valve drive mechanism may adjust the opening / closing timing of the exhaust valve so that the opening timing of the exhaust valve is in a range of 70 ° before bottom dead center to 30 ° CA after bottom dead center. .
前記吸気弁の開時期は、最も進角側にしたときに、上死点前100°〜40°CAの範囲で設定される、としてもよい。前記排気弁の閉時期は、最も遅角側にしたときに、上死点後40°〜100°CAの範囲で設定される、としてもよい。 The opening timing of the intake valve may be set in a range of 100 ° to 40 ° CA before top dead center when the opening is most advanced. The closing timing of the exhaust valve may be set in a range of 40 ° to 100 ° CA after top dead center when the exhaust valve is most retarded.
最も進角側にしたときの吸気弁の開時期、及び、最も遅角側にしたときの排気弁の閉時期はそれぞれ、要求される最大の内部EGRガス量(言い換えると、最大内部EGRガス量と最小内部EGRガス量との調整幅)に応じて、前記の範囲で、適宜設定すればよい。 The opening timing of the intake valve when set to the most advanced side and the closing timing of the exhaust valve when set to the most retarded side are respectively the required maximum internal EGR gas amount (in other words, the maximum internal EGR gas amount). And an adjustment range between the minimum internal EGR gas amount and the above range.
以上説明したように、前記の往復動ピストンエンジンの動弁制御装置によると、吸気弁のリフトカーブ及び排気弁のリフトカーブのそれぞれにおいて、リフト棚部を設けることで、ピストンとの干渉を回避しながら、大量の内部EGRガス量を確保することができると共に、内部EGRガス量の調整に係る応答時間を短くすることが可能になる。 As described above, according to the valve control device for the above-described reciprocating piston engine, interference with the piston can be avoided by providing the lift shelf in each of the lift curve of the intake valve and the lift curve of the exhaust valve. However, it is possible to secure a large amount of internal EGR gas and shorten the response time for adjusting the internal EGR gas amount.
以下、往復動ピストンエンジンの動弁制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。 Hereinafter, an embodiment of a valve control device for a reciprocating piston engine will be described with reference to the drawings. The following description of preferred embodiments is exemplary.
(エンジンの全体構成)
図1,2は、エンジン(エンジン本体)1の概略構成を示す。このエンジン1は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン1は、複数の気筒18が設けられたシリンダブロック11(尚、図1では、1つの気筒のみを図示するが、例えば4つの気筒が直列に設けられる)と、このシリンダブロック11上に配設されたシリンダヘッド12と、シリンダブロック11の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン13とを有している。各気筒18内には、コンロッド142を介してクランクシャフト15と連結されているピストン14が往復動可能に嵌挿されている。ピストン14の上面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ141が形成されている。キャビティ141は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するときには、後述するインジェクタ67に相対する。シリンダヘッド12と、気筒18と、キャビティ141を有するピストン14とは、燃焼室を区画する。尚、燃焼室の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ141の形状、ピストン14の上面形状、及び、燃焼室の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
(Entire engine configuration)
1 and 2 show a schematic configuration of an engine (engine body) 1. The
このガソリンエンジン1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自着火による燃焼の安定化等を目的として、15以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。尚、幾何学的圧縮比は15以上20以下程度の範囲で、適宜設定すればよく、例えば18としてもよい。
The
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、吸気ポート16及び排気ポート17が形成されていると共に、これら吸気ポート16及び排気ポート17には、燃焼室側の開口を開閉する吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ配設されている。
The
吸気弁21及び排気弁22をそれぞれ駆動する動弁系の内、吸気側には、吸気弁21の作動モードを、通常モードと特殊モードとに切り替える可変機構(図2参照。以下、VVL(Variable ValveLift)と称する)71と、クランクシャフト15に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構(以下、VVT(Variable ValveTiming)と称する)72と、が設けられている。通常モードと特殊モードとは、カムプロフィールが互いに異なる。VVL71とVVT72とを含んで、吸気弁21の駆動機構が構成される。また、排気側にも、排気弁22の作動モードを、通常モードと特殊モードとに切り替えるVVL73と、クランクシャフト15に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能なVVT74と、が設けられている。VVL73とVVT74とを含んで、排気弁22の駆動機構が構成される。吸気弁21及び排気弁22の駆動機構の構成の詳細は、後述する。
Among the valve systems that drive the
シリンダヘッド12にはまた、気筒18毎に、気筒18内に燃料を直接噴射するインジェクタ67が取り付けられている。インジェクタ67は、その噴口が燃焼室の天井面の中央部分から、その燃焼室内に臨むように配設されている。インジェクタ67は、エンジン1の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン1の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室内に直接噴射する。この例において、インジェクタ67は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ67は、燃料噴霧が、燃焼室の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン上面に形成されたキャビティ141の壁面に沿って流動する。キャビティ141は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ67とキャビティ141との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、インジェクタ67は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。
In addition, an
図外の燃料タンクとインジェクタ67との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ63とコモンレール64とを含みかつ、インジェクタ67に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム62が介設されている。燃料ポンプ63は、燃料タンクからコモンレール64に燃料を圧送し、コモンレール64は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ67が開弁することによって、コモンレール64に蓄えられている燃料がインジェクタ67の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ63は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン1によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム62は、30MPa以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ67に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で120MPa程度に設定してもよい。インジェクタ67に供給される燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更される。尚、燃料供給システム62は、この構成に限定されるものではない。
A fuel tank (not shown) and the
シリンダヘッド12にはまた、燃焼室内の混合気に強制点火する点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、この例では、エンジン1の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド12内を貫通して配置されている。点火プラグ25の先端は、圧縮上死点に位置するピストン14のキャビティ141内に臨んで配置される。
A
エンジン1の一側面には、図1に示すように、各気筒18の吸気ポート16に連通するように吸気通路30が接続されている。一方、エンジン1の他側面には、各気筒18の燃焼室からの既燃ガス(排気ガス)を排出する排気通路40が接続されている。
As shown in FIG. 1, an
吸気通路30の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ31が配設されている。また、吸気通路30における下流端近傍には、サージタンク33が配設されている。このサージタンク33よりも下流側の吸気通路30は、気筒18毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒18の吸気ポート16にそれぞれ接続されている。
An
吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ/ウォーマ34と、各気筒18への吸入空気量を調節するスロットル弁36とが配設されている。吸気通路30にはまた、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されており、このインタークーラバイパス通路35には、当該通路35を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁351が配設されている。インタークーラバイパス弁351の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路35の通過流量とインタークーラ/ウォーマ34の通過流量との割合を調整することにより、気筒18に導入する新気の温度を調整することが可能である。尚、インタークーラ/ウォーマ34及びそれに付随する部材は、省略することも可能である。
Between the
排気通路40の上流側の部分は、気筒18毎に分岐して排気ポート17の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路40における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト41及びアンダーフットキャタリスト42はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。尚、このエンジン1は、NOx浄化触媒を備えていない。
The upstream portion of the
吸気通路30におけるサージタンク33とスロットル弁36との間の部分と、排気通路40における直キャタリスト41よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路30に還流するためのEGR通路50を介して接続されている。このEGR通路50は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのEGRクーラ52が配設された主通路51と、EGRクーラ52をバイパスするためのEGRクーラバイパス通路53と、を含んで構成されている。主通路51には、排気ガスの吸気通路30への還流量を調整するためのEGR弁511が配設され、EGRクーラバイパス通路53には、EGRクーラバイパス通路53を流通する排気ガスの流量を調整するためのEGRクーラバイパス弁531が配設されている。
A portion between the
エンジン1は、パワートレイン・コントロール・モジュール(以下、PCMという)10によって制御される。PCM10は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このPCM10が制御器を構成する。
The
PCM10には、図1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ31の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサSW1及び新気の温度を検出する吸気温度センサSW2、インタークーラ/ウォーマ34の下流側に配置されかつ、インタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する、第2吸気温度センサSW3、EGR通路50における吸気通路30との接続部近傍に配置されかつ、外部EGRガスの温度を検出するEGRガス温センサSW4、吸気ポート16に取り付けられかつ、気筒18内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサSW5、シリンダヘッド12に取り付けられかつ、気筒18内の圧力を検出する筒内圧センサSW6、排気通路40におけるEGR通路50の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサSW7及び排気圧センサSW8、直キャタリスト41の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサSW9、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダO2センサSW10、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW11、クランクシャフト15の回転角を検出するクランク角センサSW12、車両のアクセルペダル(図示省略)の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサSW13、吸気側及び排気側のカム角センサSW14,SW15、及び、燃料供給システム62のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ67に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサSW16である。
As shown in FIGS. 1 and 2, detection signals from various sensors SW <b> 1 to SW <b> 16 are input to the
PCM10は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン1や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ67、点火プラグ25、吸気弁側のVVL71及びVVT72、排気弁側のVVL73及びVVT74、燃料供給システム62、並びに、各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、EGRクーラバイパス弁531)のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてPCM10は、エンジン1を運転する。
The
(弁駆動機構の構成)
吸気側のVVL71は、その構成の詳細な図示は省略するが、カムプロフィールの異なる2種類の第1及び第2カム、並びに、その第1及び第2カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁21に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第1カムは、図3の(a)において実線で示すリフトカーブ211となるように、一つのカム山を有するカムプロフィールであり、第2カムは、同図において破線で示すリフトカーブ212となるように、リフトカーブ212における開弁側に、クランク角の進行に対してリフトを略一定に維持するリフト棚部213を有するカムプロフィールである。尚、図3に示すカムプロフィールは、一例である。
(Configuration of valve drive mechanism)
Although the detailed illustration of the structure of the
ロストモーション機構が、第1カムの作動状態を吸気弁21に伝達しているときには、図3(a)に実線で例示するように、吸気弁21は開弁した後、クランク角の進行に伴いリフト量が次第に大きくなり、少なくとも吸気行程中で所定のピークに至った後、クランク角の進行に従い、リフト量が次第に小さくなって、そのまま閉弁する通常モードで作動する。これに対し、ロフトモーション機構が、第2カムの作動状態を吸気弁21に伝達しているときには、図3(a)に破線で例示するように、吸気弁21は、例えば排気行程中に開弁した後、リフト棚部213において所定リフト量を維持しつつ、ピストン14が上死点を迎えて吸気行程に至り、クランク角の進行に従ってリフト量を再び増大させて、所定のピークに至った後、クランク角の進行に従い、リフト量が次第に小さくなって閉弁する特殊モードで作動する。VVL71の通常モードと特殊モードとは、エンジン1の運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部EGRガスを気筒18内に導入する際に利用され、通常モードは、それ以外のときに利用される。以下の説明においては、VVL71を通常モードで作動させることを、「VVL71をオフにする」といい、VVL71を特殊モードで作動させ、内部EGRを行うことを、「VVL71をオンにする」という場合がある。
When the lost motion mechanism is transmitting the operating state of the first cam to the
ここで、図3(b)(c)を参照しながら、吸気側のVVL71における第2カムのカムプロフィールについて、さらに詳細に説明をする。図3(b)は、吸気弁21の開時期の位相を最も遅角側に設定したときの、吸気弁21のリフトカーブに相当し、図3(c)の実線は、吸気弁21の開時期の位相を最も進角側に設定したときの、吸気弁21のリフトカーブに相当する。第2カムは、前述の通り、そのリフトカーブ212における開弁側にリフト棚部213を有するように構成されている。ここで、リフトカーブ212における開弁側とは、リフトカーブ212におけるピークを挟んだ両側を、開弁側と閉弁側とに分けたときの開弁側に相当する。図3(c)に実線で示すように、VVT72によって吸気弁21の開時期の位相を進角したときに、リフト棚部213は、排気行程の、少なくとも後半に位置するようになる。ここでいう「後半」は、排気行程を前半と後半とに2等分したときの後半に相当する。従って、気筒18内の排気ガスの一部は、排気行程中に吸気ポート16に排出される。吸気ポート16に排出された排気ガスは、吸気行程時に吸気弁21が開弁するに伴い、新気と共に気筒18内に導入される。こうして、排気ガスの一部が、実質的に、気筒18内に残留することになる(つまり、内部EGR制御)。
Here, the cam profile of the second cam in the
リフト棚部213のリフト量は、リフトカーブ212のピークよりも低いリフト量に設定されている。図3(c)に実線で示すように、VVT72によって吸気弁21の開閉時期の位相を進角したときに、リフト棚部213は上死点に位置する場合がある。そのため、この実施形態では、リフト棚部213のリフト量は、上死点に位置するピストン14の上面と干渉しない限度において、最大リフト量Linmaxとなるように設定される(図3(b)参照)。こうすることで、内部EGRの最大量を、できるだけ多い量に設定することが可能になる。例えば、リフト棚部213のリフト量は、リフトカーブ212のピークにおけるリフト量に対して、1/2以下の範囲で、適宜、設定することが可能である。内部EGRの最大量を、できるだけ多い量に設定する上では、リフト棚部213のリフト量は、最大リフト量Linmaxで一定にすることが望ましい。しかしながら、リフト棚部213のリフト量は、クランク角の進行に対してリフト量が実質的に維持される範囲において、若干大きくなるように変化させてもよいし、又は、若干小さくなるように変化させてもよい。リフト棚部213は、クランク角の進行に対してリフト量の変化率が所定以下となる部分、ということが可能である。尚、リフト棚部213におけるリフト量の変化は、クランク角の進行に対して連続的であっても、段階的であってもよい。
The lift amount of the
また、リフト棚部213の長さ(つまり、クランク角の進行方向の長さ)は、設定可能な最大リフト量Linmaxに基づいて、要求される最大の内部EGRガス量を満足することができるように設定される。ここで、図3(c)に実線で示すように、リフト棚部213の最遅角位置は、吸気弁21の開時期を最も進角したときに、上死点に位置するように設定される。そのため、要求される最大の内部EGRガス量を満足させるべく、内部EGRガス量を増やすためには、リフト棚部213の長さを進角側に延ばすことになる。その結果、吸気弁21の開時期は進角側に設定されるようになる。また、リフト棚部213の長さを進角側に延ばすことに伴い、吸気弁21の開閉時期の位相変更量も大きくなる。
Further, the length of the lift shelf 213 (that is, the length of the crank angle in the traveling direction) can satisfy the required maximum internal EGR gas amount based on the maximum lift amount Linmax that can be set. Set to Here, as shown by a solid line in FIG. 3C, the most retarded position of the
前述した吸気側と同様に、排気側のVVL73は、その構成の詳細な図示は省略するが、カムプロフィールの異なる2種類の第1及び第2カム、並びに、その第1及び第2カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁22に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第1カムは、図3の(a)において実線で示すリフトカーブ221となるように、一つのカム山を有するカムプロフィールであり、第2カムは、同図において破線で示すリフトカーブ222となるように、リフトカーブ222における開弁側に、クランク角の進行に対してリフトを略一定に維持するリフト棚部223を有するカムプロフィールである。尚、図3に示すカムプロフィールは、一例である。
As with the intake side described above, the exhaust-
排気側のVVL73のロストモーション機構が、第1カムの作動状態を排気弁22に伝達しているときには、図3(a)に実線で例示するように、排気弁22は開弁した後、クランク角の進行に伴いリフト量が次第に大きくなり、少なくとも排気行程中で所定のピークに至った後、クランク角の進行に従い、リフト量が次第に小さくなって、そのまま閉弁する通常モードで作動する。これに対し、ロフトモーション機構が、第2カムの作動状態を排気弁22に伝達しているときには、図3(a)に破線で例示するように、排気弁22は、例えば排気行程中に開弁した後、クランク角の進行に従いリフト量が次第に大きくなって、排気行程中で所定のピークに至った後、リフト棚部223において所定リフト量を維持しつつ、ピストン14が上死点を迎えて吸気行程に至り、その後、クランク角の進行に従い、リフト量が次第に小さくなって閉弁する特殊モードで作動する。VVL73の通常モードと特殊モードとは、エンジン1の運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部EGRガスを気筒18内に導入する際に利用され、通常モードは、それ以外のときに利用される。以下の説明においては、VVL73を通常モードで作動させることを、「VVL73をオフにする」といい、VVL73を特殊モードで作動させ、内部EGRを行うことを、「VVL73をオンにする」という場合がある。
When the lost motion mechanism of the
排気側のVVL73における第2カムのカムプロフィールは、図3(b)(c)に例示するように、吸気側のVVL71における第2カムのカムプロフィールとは異なり、リフトカーブ222における閉弁側にリフト棚部223を有するように構成されている。ここでいう閉弁側は、リフトカーブ222におけるピークを挟んだ両側を、開弁側と閉弁側とに分けたときの閉弁側に相当する。尚、図3(b)は、排気弁22の閉時期の位相を最も進角側に設定したときの、排気弁22のリフトカーブに相当し、図3(c)の実線は、排気弁22の閉時期の位相を最も遅角側に設定したときの、排気弁22のリフトカーブに相当する。図3(c)に実線で示すように、VVT74によって排気弁22の閉時期の位相を遅角したときに、リフト棚部223は、吸気行程の、少なくとも前半に位置するようになる。ここでいう「前半」は、吸気行程を前半と後半とに2等分したときの前半に相当する。従って、排気行程中に排気ポート17に排出された排気ガスの一部は、吸気行程時に排気弁22が開弁することに伴い、気筒18内に戻される。こうして、排気ガスの一部が、実質的に、気筒18内に残留することになる(つまり、内部EGR制御)。
The cam profile of the second cam in the
排気側においても、リフト棚部223のリフト量は、リフトカーブ222のピークよりも低いリフト量に設定されており、この実施形態では、吸気側と同様の設計思想により、リフト棚部213のリフト量は、上死点に位置するピストン14の上面と干渉しない限度において最大リフト量Lexmaxとなるように設定される(図3(b)参照)。こうすることで、内部EGRの最大量を、できるだけ多い量に設定することが可能になる。例えば、リフト棚部223のリフト量は、リフトカーブ222のピークにおけるリフト量に対して、1/2以下の範囲で、適宜、設定することが可能である。ここに開示する例では、排気弁22のリフトカーブ222におけるリフト棚部223のリフト量Lexmaxは、吸気弁21のリフトカーブ212におけるリフト棚部213のリフト量Linmaxと同じに設定される。但し、リフト量Lexmaxと、リフト量Linmaxとは同じでなくてもよい。例えばピストン14の上面の形状や、オフセットクランクの採用等によって、吸気弁21のリフト棚部213のリフト量と、排気弁22のリフト棚部223のリフト量とを同じにすることができないことも起こり得る。
Also on the exhaust side, the lift amount of the
排気弁22のリフト棚部223のリフト量は、クランク角の進行に対して一定にすることが好ましいが、クランク角の進行に対してリフト量が実質的に維持される範囲において、リフト量が若干大きくなるように変化してもよいし、リフト量が若干小さくなるように変化してもよい。尚、リフト量の変化は、クランク角の進行に対して連続的であっても、段階的であってもよい。
The lift amount of the
また、リフト棚部223の長さ(つまり、クランク角の進行方向の長さ)は、設定可能な最大リフト量Lexmaxに基づいて、要求される最大の内部EGRガス量を満足することができるように設定されている。ここで、図3(c)に実線で示すように、リフト棚部223の最進角位置は、排気弁22の閉時期を最も遅角したときに上死点に位置するように設定される。そのため、要求される最大の内部EGRガス量を満足させるべく、内部EGRガス量を増やすためには、リフト棚部213の長さを遅角側に延ばすことになる。その結果、排気弁22の閉時期は遅角側に設定されるようになる。また、リフト棚部223の長さを遅角側に延ばすことに伴い、排気弁22の開閉時期の位相変更量も大きくなる。
Further, the length of the lift shelf 223 (that is, the length of the crank angle in the traveling direction) can satisfy the required maximum internal EGR gas amount based on the settable maximum lift amount Lexmax. Is set to Here, as shown by a solid line in FIG. 3C, the most advanced angle position of the
尚、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、通常モードと特殊モードとを切り替えるようにバルブのリフト特性を変更する機構としては、前述した第1カムと第2カムとの切り替えに限らない。吸気弁21及び排気弁22の開閉を、油圧の給排を制御することによって制御する油圧駆動式の動弁系を採用してもよい。また、吸気弁21及び排気弁22の開閉を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。
The mechanism for changing the lift characteristics of the valve so as to switch between the normal mode and the special mode on each of the intake side and the exhaust side is not limited to the switching between the first cam and the second cam described above. A hydraulically driven valve system that controls the opening and closing of the
吸気側及び排気側のVVT72、74はそれぞれ、液圧式、又は、電動式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。この実施形態では、位相の変更速度を高くするために、電動式のVVT72、74を採用している。
The intake-side and exhaust-
図4は、吸気弁21及び排気弁22の開弁期間(作用角)と、位相変更量との一例を示すダイヤグラムである。図4の例において、吸気弁21は、電動式のVVT72によって、閉時期(IVC)が、下死点前30°〜下死点後70°の範囲で変更される。吸気弁21の閉時期を最進角位相に設定したときには、図3(c)の実線で示すリフトカーブとなり、吸気弁21の閉時期を最遅角位相に設定したときには、図3(c)の破線で示すリフトカーブとなり、吸気弁21の閉時期は、その間を連続的に変更することになる(同図の矢印参照)。また、図4の例において、排気弁22は、電動式のVVT74によって、開時期(EVO)が、下死点前70°から下死点後30°の範囲で変更される。排気弁22の開時期を最進角位相に設定したときには、図3(c)の破線で示すリフトカーブとなり、排気弁22の開時期を最遅角位相に設定したときには、図3(c)の実線で示すリフトカーブとなり、排気弁22の開時期は、その間を、連続的に変更することになる(同図の矢印参照)。図3(c)に実線で示すように、吸気弁21の開時期を最も進角位相に設定し、排気弁22の閉時期を最も遅角位相に設定したときに、上死点を挟んだ両側で、吸気弁21の開弁時期と排気弁22の開弁時期との重なりが最も大きくなり(つまり、バルブオーバーラップ量が最大、図4参照)、気筒18内に導入される排気ガスの量が最大になる。一方、図3(c)に破線で示すように、吸気弁21の開時期を最も遅角位相に設定し、排気弁22の閉時期を最も進角位相に設定したときに、上死点を挟んだ両側で、吸気弁21の開弁時期と排気弁22の開弁時期との重なりが最も小さくなり、気筒18内に導入される排気ガスの量が最小になる。ここでいう排気ガスの量が最小になることには、気筒18内に導入される排気ガスの量が実質的にゼロになること、つまり、内部EGRガス量が実質的にゼロになることを含む。内部EGRガス量を大から小へ変更するときには、吸気弁21の開時期の位相を遅角方向に変更すると共に、排気弁22の閉時期の位相を進角方向に変更する。逆に、内部EGRガス量を小から大へ変更するときには、吸気弁21の開時期の位相を進角方向に変更すると共に、排気弁22の閉時期の位相を遅角方向に変更する。こうして、吸気弁21及び排気弁22の両弁の位相を変更することにより、詳細は後述するが、ここに開示する動弁系の構成は、排気弁22の二度開きを行う従来構成と比較して、内部EGRガス量を大から小へ、又は、小から大へ変更する速度が高くなるという利点がある。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the valve opening period (working angle) of the
このように本構成では、吸気弁21にリフト棚部213を設けると共に、排気弁22にリフト棚部223を設けることによって、最大の内部EGRガス量を比較的多い量に設定することが可能になる。
As described above, in this configuration, by providing the
従来の動弁系の構成では、図5の下図に実線又は破線で例示するように、排気行程中に開弁する排気弁22を、吸気行程中まで開弁したままにする、いわゆる排気弁22の二度開きを行うことによって、内部EGR制御が行われていた。排気弁22の二度開きにおいて、内部EGRガス量を増やそうとすれば、吸気行程中に開弁する排気弁22のリフト量(つまり、再開弁時のリフト量)を大きくする必要があるが、排気弁22の再開弁時のリフト量は、上死点に位置するピストン14との干渉を回避するために、それほど大きくすることができない。特にこのエンジン1は、前述したように幾何学的圧縮比が高く設定されており(幾何学的圧縮比ε=15以上、例えば18)、ピストン14が上死点に至ったときの、ピストン14の上面と燃焼室の天井面との距離が短い。このため、ピストン14との干渉を回避しようとすれば、排気弁22の再開弁時のリフト量は小さくしなければならない。従来構成では、内部EGRガス量の最大量を増やすことは、エンジン1の構造上、困難であった。尚、吸気行程中に開弁する吸気弁21を、排気行程中から開弁する、いわゆる吸気弁21の二度開きを行うことによって、内部EGR制御を行うことも可能であるが、その場合も、排気弁22の二度開きと同様に、排気行程中に開弁する吸気弁21のリフト量(つまり、先行開弁時のリフト量)は、上死点に位置するピストン14との干渉を回避するために、それほど大きくすることができないため、内部EGRガス量の最大量を増やすことは、困難である。
In the configuration of the conventional valve operating system, as illustrated by a solid line or a broken line in the lower diagram of FIG. 5, the
これに対し、前述した構成では、吸気弁21のリフトカーブ212において、リフト棚部213を設けていると共に、排気弁22のリフトカーブ222において、リフト棚部223を設けている。吸気弁21のリフト棚部213のリフト量は、ピストン14との干渉を回避するために制限されかつ、排気弁22のリフト棚部223のリフト量も、ピストン14との干渉を回避するために制限されるものの、両弁21、22においてリフト棚部213、223を設けていることで、リフト棚部213、223のリフト量それぞれが、比較的小さいとしても、吸気弁21及び排気弁22のいずれか一方のみ、二度開きを行う従来構成と比較して、内部EGRの最大量を多くすることが可能になる。これは特に、前述の通り、幾何学的圧縮比が高くて、ピストン14が上死点に至ったときのピストン14の上面と燃焼室の天井面との距離が短いエンジンにおいて、大量の内部EGRを確保する上で有利になる。
On the other hand, in the configuration described above, the
また、本構成は、ポンプ損失を低減する点でも、従来の、排気弁22の二度開き構成よりも有利になる。図5の上図は、同図の下図に実線で示す排気弁22のリフトカーブ及び一点鎖線で示す吸気弁21のリフトカーブのときの、気筒18内の圧力変化(破線)、吸気側の圧力変化(一点鎖線)、及び排気側の圧力変化(実線)を例示している。排気弁22の二度開きを行う従来構成では、排気弁22は、閉時期の位相によっては、吸気行程の中期(この「中期」は、吸気行程を初期、中期、終期の3等分したときの中期である)に閉弁する一方、吸気弁21が、その吸気行程の中期で開弁する場合がある。この場合、ピストン14が下降する吸気行程中で、吸気弁21及び排気弁22の両方がほぼ閉弁した状態となることから、同図の上図に矢印で示すように、気筒18内の負圧が大きくなる(ΔP1参照)。特に、吸気行程の中期は、ピストン14の下降速度が最も高く、単位時間当たりの気筒18内の容積変化が大きい。このことから、図6(a)のp−v線図に示すように、マイナスの仕事が大きくなってポンプ損失が増大し易い。
In addition, this configuration is more advantageous than the conventional double opening configuration of the
これに対し、本構成では、吸気弁21のリフトカーブと、排気弁22のリフトカーブとは、いわば、上死点に対して線対称となるように設定されており、図3(b)に示すように、吸気弁21及び排気弁22が共に閉弁する(又は、ほぼ閉弁する)時期が一致する場合、その時期は、上死点付近に設定される。上死点付近では、ピストン14の下降速度が低いため、気筒18内の負圧が大きくならないと共に、単位時間当たりの気筒18内の容積変化も小さい。このため、図6(b)に示すp−v線図に示すように、ポンプ損失が生じ難い。
On the other hand, in this configuration, the lift curve of the
尚、前述したように、吸気弁21及び排気弁22のカムプロフィールは、図例に限定されるものではない。特に、第2カムにおいて、リフト棚部213、223のリフト量Linmax、Lexmaxや、リフト棚部213、223の長さは、エンジン1について要求される内部EGRの最大量に応じて変更される。例えばリフト棚部213、223のリフト量が最大リフト量に設定されていると仮定して、エンジン1について、内部EGRの最大量が多く要求されるときには、吸気弁21及び排気弁22の開弁期間のオーバーラップ量ができるだけ大きくなるように、リフト棚部の長さが比較的長く設定され、要求される内部EGRの最大量がそれほど多くないときには、吸気弁21及び排気弁22の開弁期間のオーバーラップ量もそれほど大きくならないように、リフト棚部の長さが比較的短く設定される。また、設定される内部EGRの最大量に応じて、内部EGRガス量の調整幅(つまり、内部EGRの最大量と最小量との差)も決定されるから、それに応じて、吸気弁21の位相変更量、及び、排気弁22の位相変更量がそれぞれ設定される。つまり、要求される内部EGRの最大量が多いときには、内部EGRガス量の調整幅も大きくなるため、吸気弁21の位相変更量、及び、排気弁22の位相変更量が共に大きくなり、要求される内部EGRの最大量がそれほど多くないときには、内部EGRガス量の調整幅はそれほど大きくないため、吸気弁21の位相変更量、及び、排気弁22の位相変更量は相対的に小さくなる。図4の例では、吸気弁21の位相変更量は100°CAであり、排気弁22の位相変更量も100°CAである。吸気弁21の位相変更量は、例えば、40〜100°CAの範囲で設定してもよく、同様に、排気弁22の位相変更量は、例えば、40〜100°CAの範囲で設定してもよい。その結果、内部EGRガス量を最大とするときの(言い換えると、吸気弁21の開時期を最も進角させかつ、排気弁22の閉時期を最も遅角させたときの)、吸気弁21の開時期(IVO)は、上死点前100〜40°CAの範囲で設定し、排気弁22の閉時期(EVC)は、上死点後40°〜100°CAの範囲で設定してもよい。
As described above, the cam profiles of the
(エンジンの運転制御)
図7は、エンジン1の運転制御マップの一例を示している。このエンジン1は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ25による点火を行わずに、制御自着火(Controlled Auto Ignition:CAI)によって燃焼を行う。図7の例では、実線で示す燃焼切替負荷よりも低い領域が、CAI燃焼を行う自着火領域(CAI)に対応する。
(Engine operation control)
FIG. 7 shows an example of the operation control map of the
エンジン1の負荷が高くなるに従って、CAI燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン1では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、CAI燃焼を止めて、点火プラグ25を利用した強制点火(ここでは火花点火Spark Ignition:SI)による燃焼に切り替える。図7の例では、実線で示す燃焼切替負荷以上の領域が、火花点火燃焼を行う火花点火領域(SI)に対応する。このように、このエンジン1は、エンジン1の運転状態、特にエンジン1の負荷に応じて、CAIモードと、SIモードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。
As the load on the
図8は、エンジン回転数が低回転側の所定回転数で一定のときの、エンジン1の負荷の高低に対するEGR率の変化(つまり、気筒18内のガス組成の変化)を示している。以下、気筒18内のガス組成の変化について、低負荷側から高負荷側に向かって順に説明する。
FIG. 8 shows a change in the EGR rate (that is, a change in the gas composition in the cylinder 18) with respect to the load of the
(最低負荷から特定負荷T1まで)
特定負荷T1までの低負荷領域は、CAIモードの低負荷域に相当し、CAI燃焼の着火性及び安定性を高めるために、相対的に温度の高いホットEGRガスを気筒18内に導入する。これは、前述したように、吸気側及び排気側のVVL71、73を共にオンにして、内部EGRガスを気筒18内に導入することによる。ホットEGRガスの導入は、気筒18内の圧縮端温度(つまり、ピストン14が圧縮上死点に至ったときの気筒18内の温度)を高め、低負荷域におけるCAI燃焼の着火性及び安定性を高める。
(From minimum load to a specific load T 1)
Low-load region to a certain load T 1 corresponds to a low load region of the CAI mode, in order to improve the ignitability and stability of the CAI combustion, introducing a relatively high temperature hot EGR gas into the
CAIモードにおいては、スロットル弁36の開度を全開に維持した状態で、内部EGRガス量の調整を行う。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、特定負荷T1までの低負荷領域では、EGR率を、最高EGR率rmaxに設定する。後述するように、特定負荷T1以上の負荷領域では、エンジン1の負荷が高くなるに従い、EGR率を連続的に低く設定するが、特定負荷T1よりもエンジン1の負荷が低いときには、エンジン1の負荷の高低に拘わらず、EGR率を最高EGR率rmaxで一定にする。EGR率を、最高EGR率rmaxに制限することは、EGR率を、それ以上に高くして気筒18内に大量の排気ガスを導入してしまうと、気筒18内のガスの比熱比が低くなることで、圧縮開始時のガス温度が高くても、圧縮端温度が逆に低くなってしまうためである。
In the CAI mode, the internal EGR gas amount is adjusted while the
つまり、排気ガスは、三原子分子であるCO2やH2Oを多く含んでおり、窒素(N2)や酸素(O2)を含む空気と比較して、比熱比が高い。そのため、EGR率を高くして気筒18内に導入する排気ガスが増えたときには、気筒18内のガスの比熱比は低下する。
That is, the exhaust gas contains a large amount of triatomic molecules such as CO 2 and H 2 O, and has a higher specific heat ratio than air containing nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ). Therefore, when the EGR rate is increased and the exhaust gas introduced into the
排気ガスの温度は、新気と比較して高いため、EGR率が高くなるほど、圧縮開始時の気筒18内の温度は高くなる。しかしながら、EGR率が高くなるほど、ガスの比熱比が低下することから、圧縮をしてもガスの温度がそれほど高まらず、結果として、圧縮端温度は、所定のEGR率rmaxで最高となり、EGR率をそれより高めても、圧縮端温度は低くなる。
Since the exhaust gas temperature is higher than fresh air, the higher the EGR rate, the higher the temperature in the
そこで、このエンジン1においては、圧縮端温度が最も高くなるEGR率を最高EGR率rmaxに設定している。そして、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときには、EGR率を最高EGR率rmaxに設定し、そのことにより、圧縮端温度が低下してしまうことを回避している。この最高EGR率rmaxは、50〜90%に設定してもよい。最高EGR率rmaxは、高い圧縮端温度を確保することができる限度において、できるだけ高く設定すればよく、好ましくは、70〜90%である。このエンジン1は、高い圧縮端温度が得られるように、幾何学的圧縮比を15以上の高い圧縮比に設定している。こうして、できる限り高い圧縮端温度を確保するように構成しているエンジン1においては、最高EGR率rmaxは、例えば80%程度に設定してもよい。最高EGR率rmaxを、できるだけ高く設定することは、エンジン1の未燃損失の低減に有利になる。つまり、エンジン1の負荷が低いときには未燃損失が高くなり易いため、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときにEGR率をできるだけ高く設定することは、未燃損失の低減による燃費の向上に極めて有効である。
Therefore, in this
こうしてこのエンジン1においては、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときにも、高い圧縮端温度を確保することにより、CAI燃焼の着火性及び燃焼安定性を確保するようにしている。
Thus in this
この特定負荷T1よりも低い領域では、具体的には、図3(c)に実線で示すように、VVL71をオンにした吸気弁21の開時期の位相を最も進角側に設定し、同じくVVL73をオンにした排気弁22の閉時期の位相を最も遅角側に設定する。このことで、気筒18内に導入する内部EGRガス量が最大となるようにする。前述したようにこの構成は、幾何学的圧縮比が高いエンジン1において、最大の内部EGRガス量を高く設定する(つまり、最高EGR率を高くする)上で有効である。
In the region lower than the specific loads T 1, specifically, as shown by the solid line in FIG. 3 (c), is set to the most advance side of the opening timing of the phase of the
また、この特定負荷T1よりも低い領域では、少なくとも吸気行程から圧縮行程前半までの期間内において、インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射する。このことにより、気筒18内に均質な混合気を形成する。
Further, in the region lower than this particular load T 1, within a period of at least the intake stroke until the first half of the compression stroke, the
(特定負荷T1から所定負荷T2まで)
特定負荷T1から所定負荷T2までの領域では、混合気の空気過剰率λを1よりも大きくする。従って、図8において一点鎖線で示すλ≒1のラインよりも気筒18内に導入される新気量は増えかつ、気筒18内に導入される排気ガス量(ここでは、内部EGRガス量)はλ≒1のラインよりも減る。混合気の空気過剰率λは、2.4以上のリーンにすることが好ましい。混合気をリーンにすることは、熱効率を高めて燃費の向上に有利になると共に、空気過剰率λを2.4以上にすることで、RawNOxの生成が抑制される。これは、NOx浄化触媒を備えていない本エンジン1において、排気エミッション性能を確保することを可能にする。尚、所定負荷T2と、後述する切替負荷T3との間には、混合気の空気過剰率λを徐変する区間を設けている。
(From a particular load T 1 to a predetermined load T 2)
In the region from a particular load T 1 to a predetermined load T 2, it is larger than the excess air ratio λ of the
特定負荷T1を超える領域において、エンジン1の負荷が高まるに従い燃料噴射量は増大するため、空気過剰率λを、前述のように2.4以上に維持する上で、必要な新気量は次第に多くなり、それに伴い、ホットEGRガス量は次第に少なくなる。エンジン1の負荷が低いときには、ホットEGRガスの導入量を増やすことによって圧縮開始時の気筒18内の温度を高め、それに伴い圧縮端温度を高くし、圧縮自着火の着火性を高めると共に、圧縮自着火燃焼の安定性を高める上で有利である。一方、エンジン1の負荷が高くなれば、気筒18内の温度状態が高まる。そのため、ホットEGRガスの導入量は少なくしても、圧縮自着火の着火性及び安定性は確保可能である。
In the region above a certain load T 1, since the fuel injection amount in accordance with the load of the
このCAI領域における、エンジン1の負荷に対応したホットEGRガスの導入量の調整は、前述したように、それぞれVVL71、73をオンにした吸気弁21の開時期の位相と、排気弁22の閉時期の位相とを調整することによって行われる。すなわち、エンジン1の負荷が上昇するに従い、EGR率を高から低へ変更するときには、吸気弁21の開時期の位相を遅角方向に変更すると共に、排気弁22の閉時期の位相を進角方向に変更する。逆に、エンジン1の負荷が低下するに従い、EGR率を低から高へ変更するときには、吸気弁21の開時期の位相を進角方向に変更すると共に、排気弁22の閉時期の位相を遅角方向に変更する(図3(c)の矢印参照)。
In this CAI region, the amount of hot EGR gas introduced corresponding to the load of the
(所定負荷T2から切替負荷T3まで)
CAIモードにおいて所定負荷T2以上の負荷領域、すなわち、CAIモード内の高負荷側領域では、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する。これにより、三元触媒の利用が可能になり、排気エミッション性能を確保することが可能になる。
(From the predetermined load T 2 to the switching load T 3)
The predetermined load T 2 or more load regions in the CAI mode, i.e., in the high load side region in the CAI mode, sets the air-fuel ratio of the mixture to the stoichiometric air-fuel ratio (λ ≒ 1). As a result, a three-way catalyst can be used, and exhaust emission performance can be ensured.
この高負荷側の領域では、気筒18内の温度状態がさらに高くなるため、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に維持しつつ、気筒18内にホットEGRガスを導入したのでは、気筒18内の温度状態が高くなりすぎて、過早着火等の異常燃焼が生じたり、CAI燃焼時に気筒18内の圧力上昇(dP/dθ)が急峻になって燃焼騒音の問題が生じたりする虞がある。そこで、所定負荷T2から切替負荷T3までの領域では、ホットEGRガスと共に、クールドEGRガスを気筒18内に導入する。クールドEGRガスは、基本的には、EGRクーラ52を通過することによって冷却された外部EGRガスである。尚、EGRクーラ52をバイパスした外部EGRガスを、クールドEGRガスに含んでもよい。こうして、クールドEGRガスを気筒18内に導入することで、気筒18内の温度状態が高くなりすぎることが回避され、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。尚、CAIモードにおいては、後述するSIモードとは異なり、燃焼安定性に関連するEGR率の制限が無い。そのため、混合気の空気過剰率λを実質的に1に設定しつつ、EGR率を可能な限り高くすることが可能である。
In this high-load region, the temperature state in the
所定負荷T2から切替負荷T3までの間においても、エンジン1の負荷に対応したホットEGRガスの導入量の調整は、それぞれVVL71、73をオンにした吸気弁21の開時期の位相と、排気弁22の閉時期の位相とを調整することによって行われる。
Even during the period from the predetermined load T 2 to switch the load T 3, adjustment of the introduction amount of the hot EGR gas corresponding to the load of the
切替負荷T3は、CAIモードとSIモードとの切り替えに係り、切替負荷T3以上の高負荷側においてはSIモードとなる。CAIモードにおいては、前述したように、吸気側及び排気側のVVL71、73をそれぞれオンにして、内部EGRガス(つまりホットEGRガス)を気筒18内に導入する一方で、SIモードでは、吸気側及び排気側のVVL71、73をそれぞれオフにして、内部EGRガスの導入を中止する。従って、切替負荷T3を境にして、吸気側及び排気側のVVL71、73のオンオフが、切り替わる。
Threshold engine load T 3 relates to switching between the CAI mode and SI-mode, the SI mode in the switching load T 3 or more high-load side. In the CAI mode, as described above, the
(切替負荷T3から最大負荷Tmaxまで)
切替負荷T3よりも負荷の高い領域はSIモードに相当する。このSI領域では、前述したように、クールドEGRガスのみを気筒18内に導入する。
(From the switching load T 3 up to a maximum load T max)
Region of a load higher than the switching load T 3 corresponds to SI mode. In this SI region, as described above, only the cooled EGR gas is introduced into the
SIモードでは、基本的には、スロットル弁36の開度を全開に維持しかつ、EGR弁511の開度を、エンジン負荷に応じて変更する。こうして、SIモードにおいては、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する条件下でEGR率を最大に設定している。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用を可能にする。EGR弁511は、具体的には、エンジン負荷の上昇に従い次第に閉じ、全開負荷では閉弁する。このことは、エンジン負荷が連続的に変化するようなときには、気筒18内のガス組成を連続的に変化させることになるから、制御性の向上に有利である。
In the SI mode, basically, the opening of the
SI燃焼においては、気筒18内に導入する排気ガスの量が多すぎると燃焼安定性が低下してしまう。そのため、SI燃焼において設定可能な最高のEGR率(つまり、EGR限界)が存在する。前述の通り、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定するため、エンジン負荷の高低に応じてEGR率は連続的に変化し、SIモードにおいてエンジン負荷が低いときには、燃料量が少なくかつ、新気量が少なくなることで、EGR率は高くなり得るものの、切替負荷T3から所定負荷T4までは、EGR率はEGR限界に制限する。従って、切替負荷T3から所定負荷T4までの間は、EGR率はEGR限界で一定になる、こうして、EGR率がEGR限界によって制限されると、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する上で、気筒18内に導入する新気量を減らさなければならない。ここでは、吸気弁21の閉弁時期を吸気下死点以降に遅らせることによって、気筒18内に導入する新気量を減らしている。尚、吸気弁21の閉弁時期の制御の代わりに、例えばスロットル弁36の開度制御を行っても、気筒18内に導入する新気を減らすことが可能である。但し、吸気弁21の閉弁時期を制御することは、ポンプ損失の低減に有利である。
In SI combustion, if the amount of exhaust gas introduced into the
(エンジン負荷の変化に伴う内部EGRガス量の調整)
前述の通り、CAIモードにいては、エンジン負荷の高低に従って内部EGRガス量を変更する。ここで、本構成では、前述したように、吸気側のVVT72によって、VVL71をオンにした吸気弁21の開閉時期の位相を調整すると共に、排気側のVVT74によって、VVL73をオンにした排気弁22の開閉時期の位相を調整することで、内部EGRガス量の調整を行うため、例えば排気弁22の二度開きを行う従来構成において排気弁22の開閉時期の位相のみを調整する構成とは異なり、内部EGRガス量の調整に係る応答性が高くなるという利点がある。この点について、図9のタイムチャートを参照しながら説明をする。
(Adjustment of internal EGR gas amount accompanying changes in engine load)
As described above, in the CAI mode, the internal EGR gas amount is changed according to the engine load. Here, in this configuration, as described above, the phase of the opening / closing timing of the
図9の左側の各図は、排気弁22の二度開きを行う従来構成において、エンジン1の負荷が、図8に示すT1〜T2の間の所定の当初負荷から、T2〜T3の間の所定の目標負荷まで上昇するときの、(a)排気弁22の位相変更、(b)気筒18内のガス組成の変化、(c)燃料量の変化、及び(d)ポンプ損失の変化をそれぞれ示している。各図の横軸は時間である。排気弁22の二度開きを行う従来構成では、排気弁22の位相を、Pex0からPex1まで進角側に変更することによって、内部EGRガス量が当初負荷時のr0から目標負荷時のr1まで、次第に少なくなる。排気弁22の位相の変更速度、つまり、図9(a)のタイムチャートにおける直線の傾きは、排気弁22のVVT74の駆動速度(言い換えると、ハードウエア限界)に対応する。
The figures of the left side of FIG. 9, in the conventional configuration in which the open-twice of the
内部EGRガス量が少なくなるに従い、気筒18内の空気量は増える(同図(b)参照)。また、エンジン1の負荷の増大に伴い、燃料量も次第に増大する(同図(c)参照)。ポンプ損失は、排気弁22の位相が遅角側のPex0に設定された状態では比較的高くなる一方、その状態から排気弁22の位相が進角するに従い、次第に低下する。そうして排気弁22の位相が所定の位相となった時点で、ポンプ損失は最低になり、排気弁22の位相がPex1に向かってさらに進角するに従って、ポンプ損失は次第に増えるようになる(同図(d)参照)。
As the internal EGR gas amount decreases, the air amount in the
図例では、エンジン1の負荷が目標に至る途中で、リーンから理論空燃比への切り替え負荷に到達することから、同図(c)に示すように、燃料量は、それまでのリーン空燃比に係る燃料量から、理論空燃比に係る燃料量へと切り替わる。燃料量の切り替え後も、排気弁22の開弁時期の変更は継続することで、同図(b)に示すように、内部EGRガス量は次第に減少する一方、外部EGRガスが気筒18内に導入される。
In the illustrated example, since the load of the
そうして、時刻t1において、排気弁22の位相がPex1に到達することにより、内部EGRガス量が、エンジン1の目標負荷に対応するr1に到達することになる。このように、エンジン1の負荷を当初負荷から目標負荷にするためには、気筒18内に導入する内部EGRガス量を、当初のr0から目標のr1へと変更する必要があるが、排気弁22の二度開きを行う従来構成では、排気弁22の位相のみを変更して内部EGRガス量の調整を行うため、排気弁22の位相変更量が多く(Pex1−Pex0)、エンジン1の状態が、目標負荷に対応する状態にまで変化するために、時刻t0からt1までの比較的長い時間を要することになる。これは、例えば加速性能の低下を招く。
Thus, when the phase of the
これに対し、本構成では、前述の通り、吸気弁21の位相と排気弁22の位相との双方を変更することで、気筒18内に導入する内部EGRガス量を調整する。図9の右図は、左図と同様に、エンジン1の負荷が、当初負荷から目標負荷まで上昇するときの、(e)排気弁22の位相変更、(f)吸気弁21の位相変更、(g)気筒18内のガス組成の変化、(h)燃料量の変化、及び(i)ポンプ損失の変化をそれぞれ示している。
In contrast, in this configuration, as described above, the amount of internal EGR gas introduced into the
前述の通り、本構成では、排気弁22の位相を、Pex0から進角側に変更すると共に、吸気弁21の位相を、Pin0から遅角側に変更することによって、内部EGRガス量が当初負荷時のr0から次第に少なくなる。排気弁22の位相の変更速度は、排気弁22のVVT74の駆動速度(つまり、ハードウエア限界)に対応し、吸気弁21の位相の変更速度は、吸気弁21のVVT72の駆動速度(つまり、ハードウエア限界)に対応するため、排気弁22の位相の変更に関し、図9(e)のタイムチャートにおける直線の傾きは、同図(a)のタイムチャートにおける直線の傾きと同じである。また、吸気弁21の位相の変更についても、同図(f)のタイムチャートにおける直線の傾きは、正負は逆であるが、排気弁22の位相変更に係る直線の傾きと同じである。
As described above, in this configuration, the internal EGR gas amount is reduced by changing the phase of the
このように、吸気側のVVT71及び排気側のVVT73のハードウエア限界は、従来と同じであっても、本構成では、吸気弁21と排気弁22との双方の位相を変更するため、気筒18内に導入される内部EGRガス量の変化速度は、排気弁22の位相のみを変更する従来構成よりも高まる。つまり、図9(g)に示すように、内部EGRガス量の時間に対する変化の傾きは、従来構成よりも急峻になる。
In this way, even if the hardware limits of the intake-
排気弁22の位相変更量が、従来構成における変更量(Pex1−Pex0)の約半分(Pex2−Pex0)となりかつ、吸気弁21の位相変更量が、排気弁22の位相変更量と同程度(Pin1−Pin0)となれば、内部EGRガス量は、当初負荷時のr0から目標負荷に相当するr1に変化する(時刻t2参照)。つまり、本構成では、目標負荷に変化する上で必要な排気弁22の位相変更量を、従来構成と比べて少なくする(具体的には、約半分)にすることが可能であるから、エンジン1の負荷を、目標負荷にまで変更するために必要な時間が、従来構成よりも短くなる(具体的には、おおよそ半分の時間になる)。こうして、従来構成と比較して、短い時間で目標の内部EGRガス量へと変更することが可能になる結果、エンジン1の負荷の変化に係る応答性が高まる。
Phase change amount of the
尚、エンジン1の負荷が高負荷側から低負荷側へと低下するときには、前記とは逆になるが、この場合も、従来構成と比較して、短い時間で目標の内部EGRガス量へと変更することが可能であるから、エンジン1の負荷の変化に係る応答性が高まる。
When the load of the
ここで、本構成では、図9(g)に示すように、混合気の空燃比を、リーンから理論空燃比に切り替えた以降において、吸気弁21の開閉時期の位相を遅角することに伴い、気筒18内に導入される新気量が少なくなり得る(図8の一点鎖線も参照)。そのため、図9(h)に示すように、気筒18内に導入される新気量の減少に応じて理論空燃比を維持するように、燃料噴射量も少なめに設定されるようになる。
Here, in this configuration, as shown in FIG. 9G, the phase of the opening / closing timing of the
また、ポンプ損失に関し、本構成では、内部EGRガス量が多い状態(時刻t0)では、図3(c)に実線で例示するように、排気行程及び吸気行程のそれぞれで、吸気弁21及び/又は排気弁22の開弁量を比較的大きく維持することが可能であるから、従来構成と比較してポンプ損失は低くなると共に、吸気弁21及び排気弁22の位相変更が完了した時刻t2以降では、ポンプ損失が増大することを回避可能になる(図9(i)参照)。こうして本構成では、エンジン1の負荷が当初負荷から目標負荷まで変化するときの全体として、従来構成よりもポンプ損失を低減することが可能になる。
Regarding the pump loss, in this configuration, when the amount of internal EGR gas is large (time t0), as illustrated by the solid line in FIG. 3C, the
尚、ここに開示する技術は、前述したエンジン構成への適用に限定されるものではない。例えば図7に示す運転制御マップは例示であり、これ以外にも様々なマップを設けることが可能である。 The technique disclosed here is not limited to application to the engine configuration described above. For example, the operation control map shown in FIG. 7 is an exemplification, and various other maps can be provided.
また、排気通路には三元触媒のみを備えたが、NOx浄化触媒を備えて、空気過剰率λが2.4よりも小さく1.0よりも大きい、A/FがLeanの運転を可能にしてもよい。 In addition, the exhaust passage is provided with only a three-way catalyst, but it is provided with a NOx purification catalyst, so that the excess air ratio λ is smaller than 2.4 and larger than 1.0, and A / F can be operated with Lean. May be.
さらに、ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。幾何学的圧縮比を下げて、大量の内部EGRガスを導入するようなディーゼルエンジンにおいては、前述したように、内部EGRガス量の最大量を多くすると共に、内部EGRガス量の変化の応答性を高めることは有益である。ディーゼルエンジンにおいては、幾何学的圧縮比を、例えば12以上に設定してもよい。 Furthermore, the technology disclosed herein can be applied to a diesel engine. In a diesel engine in which a large amount of internal EGR gas is introduced with a reduced geometric compression ratio, as described above, the maximum amount of internal EGR gas is increased, and the response of changes in internal EGR gas amount is increased. It is beneficial to increase In a diesel engine, the geometric compression ratio may be set to 12 or more, for example.
1 エンジン(エンジン本体)
14 ピストン
16 吸気ポート
17 排気ポート
18 気筒
21 吸気弁
22 排気弁
71 VVL(吸気弁駆動機構)
72 VVT(吸気弁駆動機構)
73 VVL(排気弁駆動機構)
74 VVT(排気弁駆動機構)
212 (吸気側の)リフトカーブ
213 (吸気側の)リフト棚部
222 (排気側の)リフトカーブ
223 (排気側の)リフト棚部
1 Engine (Engine body)
14
72 VVT (Intake valve drive mechanism)
73 VVL (exhaust valve drive mechanism)
74 VVT (exhaust valve drive mechanism)
212 Lift curve 213 (intake side) Lift shelf 222 (intake side) Lift curve 223 (Exhaust side)
Claims (6)
前記気筒内に嵌挿されかつ、当該気筒内を往復動するよう構成されたピストンと、
前記気筒内にガスを吸入する吸気ポートを開閉するよう構成された吸気弁と、
前記気筒内からガスを排出する排気ポートを開閉するよう構成された排気弁と、
前記吸気弁を開閉駆動するように構成された吸気弁駆動機構と、
前記排気弁を開閉駆動するように構成された排気弁駆動機構と、を備え、
前記吸気弁駆動機構は、吸気行程中にピークを有するリフトカーブの開弁側に、当該ピークよりも低いリフト量で前記吸気弁の開弁状態がクランク角の進行に対して維持されるリフト棚部を有するように、前記吸気弁を開弁し、
前記排気弁駆動機構は、排気行程中にピークを有するリフトカーブの閉弁側に、当該ピークよりも低いリフト量で前記排気弁の開弁状態がクランク角の進行に対して維持されるリフト棚部を有するように、前記排気弁を開弁し、
前記吸気弁駆動機構及び前記排気弁駆動機構はそれぞれ、前記吸気弁の開閉時期及び前記排気弁の開閉時期を変更することによって、内部EGRガス量の調整を行うと共に、前記吸気弁の開時期を最も進角しかつ、前記排気弁の閉時期を最も遅角したときに、前記吸気弁のリフト棚部及び前記排気弁のリフト棚部が共に、前記ピストンの上死点に位置するように構成されている往復動ピストンエンジンの動弁制御装置。 An engine body having a cylinder;
A piston fitted into the cylinder and configured to reciprocate within the cylinder;
An intake valve configured to open and close an intake port for sucking gas into the cylinder;
An exhaust valve configured to open and close an exhaust port for exhausting gas from within the cylinder;
An intake valve drive mechanism configured to open and close the intake valve;
An exhaust valve drive mechanism configured to open and close the exhaust valve,
The intake valve drive mechanism has a lift shelf on a valve opening side of a lift curve having a peak during an intake stroke, and a valve opening state of the intake valve is maintained with respect to a crank angle with a lift amount lower than the peak. Opening the intake valve to have a portion,
The exhaust valve drive mechanism has a lift shelf on a valve closing side of a lift curve having a peak during an exhaust stroke, in which the valve opening state of the exhaust valve is maintained with respect to the crank angle with a lift amount lower than the peak. Opening the exhaust valve to have a portion,
The intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism adjust the internal EGR gas amount by changing the opening / closing timing of the intake valve and the opening / closing timing of the exhaust valve, respectively, and adjust the opening timing of the intake valve. The intake valve lift shelf and the exhaust valve lift shelf are both positioned at the top dead center of the piston when the valve is advanced most and the exhaust valve closing time is retarded most. A reciprocating valve engine control device for a reciprocating piston engine.
前記吸気弁駆動機構及び前記排気弁駆動機構はそれぞれ、前記エンジン本体の運転状態が所定の低負荷領域にあって前記気筒内の混合気を自着火燃焼するときに、前記吸気弁の開時期を最も進角しかつ、前記排気弁の閉時期を最も遅角することで、前記内部EGRガス量が最大となるようにする往復動ピストンエンジンの動弁制御装置。 In the valve operating control device of the reciprocating piston engine according to claim 1,
Each of the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism controls the opening timing of the intake valve when the operating state of the engine body is in a predetermined low load region and the air-fuel mixture in the cylinder self-ignites and burns. A valve operating control device for a reciprocating piston engine that makes the internal EGR gas amount maximum by advancing the most and delaying the closing timing of the exhaust valve the most.
前記吸気弁駆動機構は、前記吸気弁の閉時期が下死点前30°〜下死点後70°CAの範囲となるように、前記吸気弁の開閉時期を調整する往復動ピストンエンジンの動弁制御装置。 In the valve operating control device of the reciprocating piston engine according to claim 1 or 2,
The intake valve drive mechanism operates a reciprocating piston engine that adjusts the opening / closing timing of the intake valve so that the closing timing of the intake valve is in a range of 30 ° before bottom dead center to 70 ° CA after bottom dead center. Valve control device.
前記排気弁駆動機構は、前記排気弁の開時期が下死点前70°〜下死点後30°CAの範囲となるように、前記排気弁の開閉時期を調整する往復動ピストンエンジンの動弁制御装置。 In the valve operating control apparatus of the reciprocating piston engine of any one of Claims 1-3,
The exhaust valve drive mechanism operates a reciprocating piston engine that adjusts the opening / closing timing of the exhaust valve so that the opening timing of the exhaust valve is in the range of 70 ° before bottom dead center to 30 ° CA after bottom dead center. Valve control device.
前記吸気弁の開時期は、最も進角側にしたときに、上死点前100°〜40°CAの範囲で設定される往復動ピストンエンジンの動弁制御装置。 In the valve operating control apparatus of the reciprocating piston engine of any one of Claims 1-4,
A valve operating control device for a reciprocating piston engine, wherein the opening timing of the intake valve is set in a range of 100 ° to 40 ° CA before top dead center when the intake valve is most advanced.
前記排気弁の閉時期は、最も遅角側にしたときに、上死点後40°〜100°CAの範囲で設定される往復動ピストンエンジンの動弁制御装置。
In the valve operating control apparatus of the reciprocating piston engine of any one of Claims 1-5,
A valve operating control device for a reciprocating piston engine, wherein the closing timing of the exhaust valve is set within a range of 40 ° to 100 ° CA after top dead center when the timing is most retarded.
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