JP2905315B2 - 過給機付ディーゼルエンジンの吸気装置 - Google Patents

過給機付ディーゼルエンジンの吸気装置

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JP2905315B2 JP3171061A JP17106191A JP2905315B2 JP 2905315 B2 JP2905315 B2 JP 2905315B2 JP 3171061 A JP3171061 A JP 3171061A JP 17106191 A JP17106191 A JP 17106191A JP 2905315 B2 JP2905315 B2 JP 2905315B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、過給機付ディーゼルエ
ンジンの吸気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、ディーゼルエンジンにおいては、
排気ガス中の大気汚染物質の低減いわゆる低エミッショ
ン化が求められている。他方、エンジンの高出力化が求
められている。そこで、例えば、吸気通路にエアヒータ
を設け、低負荷時にはエアヒータによって吸気を加熱
し、燃焼性を高めて排気エミッションの低減を図り、他
方高負荷時には吸気を冷却して吸気充填効率を高め、エ
ンジン出力を高めるようにしたディーゼルエンジンの吸
気装置が提案されている(例えば、特開昭６２−１７４
５３３号公報参照)。
【０００３】また、運転状態に応じて燃焼室内でのスワ
ールの強さを制御して燃焼性を高め、低エミッション化
を図った吸気装置、例えば、各気筒に２つの吸気ポート
を設け、一方の吸気ポートをスワールポートとして、低
負荷時にはスワールポートからのみ燃焼室に吸気を供給
し、スワールを生成させて燃焼性を高め、低エミッショ
ン化を図ったディーゼルエンジンの吸気装置が提案され
ている(上記特開昭６２−１７４５３３号公報参照)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、吸気温
を制御して低エミッション化と高出力化の両立を図るよ
うにした上記従来の吸気装置では、吸気加熱系統と吸気
冷却系統とが十分に使い分けられていないので、エアヒ
ータの熱が吸気冷却系統に持ち込まれたり、逆に吸気冷
却系統によって吸気加熱系統が冷却されるなどして、低
エミッション化と高出力化とがそれほど両立しないとい
った問題がある。また、スワール制御により燃焼性の向
上を図るようにした上記従来の吸気装置では、低負荷時
のみスワールを生成させ、高負荷時にはスワールを消す
ようにしているので、高負荷時の燃焼性が改善されない
といった問題がある。
【０００５】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたものであって、低エミッション化と高出力
化とを両立させることができる過給機付ディーゼルエン
ジンの吸気装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明は、各気筒に夫々、吸気弁によって開
閉される第１,第２吸気ポートが設けられる一方、吸気
通路に過給機が設けられた過給機付ディーゼルエンジン
において、各気筒の第１,第２吸気ポートがともにスワ
ールを生成するように形成される一方、各第１吸気ポー
トに吸気を分配して供給する第１吸気集合部と、各第２
吸気ポートに吸気を分配して供給する第２吸気集合部
と、第１吸気集合部と第２吸気集合部とを互いに連通さ
せる連通路と、該連通路を開閉する連通路開閉弁と、過
給機下流で吸気通路から分岐して、夫々第１,第２吸気
集合部に接続される第１,第２分岐通路と、第１分岐通
路内の吸気を冷却するインタクーラと、第２分岐通路を
開閉する第２分岐通路開閉弁とが設けられ、かつ上記連
通路開閉弁を、低負荷時には閉じ高負荷時には開くよう
に制御する吸気制御手段が設けられていることを特徴と
する過給機付ディーゼルエンジンの吸気装置を提供す
る。
【０００７】第２の発明は、第１の発明にかかる過給機
付ディーゼルエンジンの吸気装置において、第２吸気ポ
ートが第１吸気ポートよりも弱いスワールを生成するよ
うに形成され、第１分岐通路を開閉する第１分岐通路開
閉弁と、第２分岐通路内の吸気を加熱するエアヒータと
が設けられる一方、吸気制御手段が、第１,第２分岐通
路開閉弁を、低負荷時には第１分岐通路開閉弁が閉じ第
２分岐通路開閉弁が開く一方、高負荷時には第１分岐通
路開閉弁が開き第２分岐通路開閉弁が閉じるように制御
することを特徴とする過給機付ディーゼルエンジンの吸
気装置を提供する。
【０００８】第３の発明は、第２の発明にかかる過給機
付ディーゼルエンジンの吸気装置において、第２吸気集
合部にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ手段が設けられ、吸
気制御手段が、ＥＧＲ手段を、所定の高負荷時にはＥＧ
Ｒガスの導入を停止するように制御することを特徴とす
る過給機付ディーゼルエンジンの吸気装置を提供する。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
図１に示すように、４気筒ディーゼルエンジンＥの各気
筒１には、夫々、第１,第２吸気ポート２,３と、第１,
第２排気ポート４,５とが設けられている。ここで、第
１吸気ポート２は、気筒１のほぼ周方向に向いて開口す
るタンゼンシャルポートであり、第２吸気ポート３は開
口部近傍がヘリカル状に形成されたヘリカルポートであ
って、両吸気ポート２,３は同一回転方向のスワールを
生成するようになっている。なお、第２吸気ポート３
は、第１吸気ポートよりも弱いスワールを生成するよう
になっている。かかるスワールは、後で説明するよう
に、エンジンＥの運転状態に応じて制御され、燃料の燃
焼を緩慢化して、ＮＯx等の排気エミッションを低減す
る。そして、各気筒１の第１吸気ポート２は夫々第１独
立吸気通路６と連通し、第２吸気ポート３は夫々第２独
立吸気通路７と連通している。また、各気筒１の第１,
第２排気ポート４,５は夫々独立排気通路８と連通して
いる。
【００１０】そして、詳しくは図示していないが、各気
筒１においては、吸気行程で第１,第２吸気ポート２,３
から気筒１内(燃焼室)に吸気(エア)を吸入し、圧縮行程
でこの吸気を圧縮して高圧・高温にし、燃焼行程でこの
吸気中に燃料を噴射して着火・燃焼させ、排気行程で燃
焼ガスを第１,第２排気ポート４,５を介して独立排気通
路８に排出するようになっている。
【００１１】エンジンＥに吸気を供給するために吸気装
置Ａが設けられ、この吸気装置Ａの共通吸気通路１０に
は、吸気流れ方向にみて上流側から順に、吸気中の塵を
除去するエアクリーナ１１と、排気ターボ式過給機１２
のブロア１２aとが介設されている。なお、過給機１２
はエンジンＥの出力を高めるために設けられている。そ
して、この共通吸気通路１０は下流側に向かって、第１
分岐通路１３と第２分岐通路１４とに分岐している。
【００１２】第１分岐通路１３には、これを開閉する第
１開閉弁１５と、吸気を冷却する空冷式のインタクーラ
１６とが介設されている。なお水冷式のインタクーラを
用いてもよい。そして、第１分岐通路１３の下流端は第
１吸気集合部１７(サージタンク)に接続されている。こ
こで、第１吸気集合部１７には前記した各第１独立吸気
通路６の上流端が接続されている。また、第２分岐通路
１４には、これを開閉する第２開閉弁１８と、吸気を加
熱する電気式のエアヒータ１９とが介設されている。そ
して、第２分岐通路１４の下流端は第２吸気集合部２０
(サージタンク)に接続されている。ここで、第２吸気集
合部２０には前記した各第２独立吸気通路７の上流端が
接続されている。そして、一端が第１吸気集合部１７と
連通し、他端が第２吸気集合部２０と連通する連通路２
１が設けられ、この連通路２１にはこれを開閉する第３
開閉弁２２が介設されている。なお、第１開閉弁１５は
請求項２に記載された第１分岐通路開閉弁に相当し、第
２開閉弁１８は請求項１,２に記載された第２分岐通路
開閉弁に相当し、第３開閉弁２２は請求項１に記載され
た連通路開閉弁に相当する。後で説明するように、第
１,第２,第３開閉弁１５,１８,２２は、夫々コントロー
ルユニット３０によって制御されるようになっている。
なお、第３開閉弁２２のかわりに逆止弁を用いてもよ
い。この場合、開閉弁制御が簡素化される。
【００１３】また、各独立排気通路８は排気集合部２５
で１つの共通排気通路２６に集合され、この共通排気通
路２６には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気
ターボ式過給機１２のタービン１２bと、所定の触媒を
用いた排気ガス浄化装置２７とが介設されている。
【００１４】そして、吸気系にＥＧＲガスを導入するた
めに、一端が排気集合部２５に接続され、他端が第２吸
気集合部２０に接続されたＥＧＲ通路２８が設けられて
いる。このＥＧＲ通路２８には、これを開閉するＥＧＲ
制御弁２９が介設されている。ここで、ＥＧＲ制御弁２
９は、コントロールユニット３０によって、エンジンＥ
の運転状態に応じて開閉されるようになっている。かか
るＥＧＲガスは、燃焼温度を低下させ、ＮＯx発生量を
低減するために導入される。なお、コントロールユニッ
ト３０は、請求項１,２,３に記載された吸気制御手段に
相当する。
【００１５】ところで、本実施例においては、燃焼性の
改善による低エミッション化と充填効率の向上による高
出力化とを両立させるために、吸気温と、スワール強度
と、ＥＧＲとが、コントロールユニット３０によって所
定の方法で制御されるようになっているが、以下、適宜
図１を参照しつつ、これらの制御方法を説明する。
【００１６】吸気温制御及びスワール制御は、低負荷時
(軽負荷時)と高負荷時とで、第１〜第３開閉弁１５,１
８,２２の開閉パターンを切り替えることによって行な
われる。 (１)低負荷時 図４に示すように、エンジン負荷が所定値θ1以下の低
負荷領域では、第１開閉弁１５が閉じられ、第２開閉弁
１８が開かれ、第３開閉弁２２が閉じられる。図２は、
この状態を示す。この場合、過給機１２によって加圧・
昇温された吸気が第２分岐通路１４を介して第２吸気集
合部２０に供給される。この後、第２独立吸気通路７を
通って第２吸気ポート３から各気筒１内(燃焼室内)に供
給される。なお、冷間始動時あるいは低水温時ないし低
油温時には、エアヒータ１９が通電され、吸気温度が十
分に高められる。このように、各気筒１には温度の高い
吸気が供給されるので、燃焼性が高められ、排気エミッ
ションが低減される。また、前記したとおり、第２吸気
ポート３は比較的弱いスワールを生成するので、この場
合、気筒内には弱いスワールが生成される。一般に、ス
ワールが強いときほど、気筒１内の吸気が層状化され、
燃料が緩慢燃焼して燃焼温度の過剰な上昇が抑制され、
ＮＯx等の排気エミッションが低減される。しかしなが
ら、ディーゼルエンジンにおいて、低負荷時すなわち燃
焼噴射量の少ないときに、スワールが強過ぎると、吸気
がリーンとなり、着火しにくくなる。そして、この後着
火したときには燃料が急燃焼するので、かえって燃焼温
度が高くなり、ＮＯx発生量が増えてしまう。このた
め、エンジン負荷が低いときにはスワールを弱めるよう
にしている。したがって、この場合着火性が良好とな
り、排気エミッションが一層低減される。
【００１７】(２)高負荷時 エンジン負荷が所定値θ1を超える高負荷領域では、第
１開閉弁１５が開かれ、第２開閉弁１８が閉じられ、第
３開閉弁２２が開かれる。図３は、この状態を示す。こ
の場合、過給機１２によって加圧・昇温された吸気は、
すべてインタクーラ１６で冷却された後、第１吸気集合
部１７に流入する。この後、第１吸気集合部１７内の吸
気の一部は、第１独立吸気通路６を通って第１吸気ポー
ト２から各気筒１内に流入する。また、第１吸気集合部
１７内の吸気の残部は、連通路２１と、第２吸気集合部
２０と、第２独立吸気通路７とを介して第２吸気ポート
３から各気筒１内に流入する。このように、気筒１には
冷却された密度の高い吸気が供給されるので、吸気充填
効率が高められ、エンジン出力が高められる。そして、
この場合、第１吸気ポート２によって気筒１内に比較的
強いスワールが生成される。かつ、第２吸気ポート３に
よって比較的弱いスワールが生成される。ここで、両ス
ワールは同一方向に生じるので、気筒１内に生成されス
ワールは非常に強くなる。このため、強いスワールによ
って気筒１内での燃焼性が高められ、排気エミッション
が大幅に低減される。したがって、高負荷領域では、エ
ンジン出力を高めつつ排気エミッションを低減すること
ができる。
【００１８】このように、吸気温制御においては、低負
荷時には吸気温が高められ、高負荷時には吸気が冷却さ
れるが、両者の過渡期、例えば低負荷領域から高負荷領
域への切替わり時において、第２分岐通路１４側の熱が
第１吸気集合部１７に持ち込まれない。このため、低負
荷領域から高負荷領域の切替わり時には、応答遅れなく
エンジン出力が高められる。
【００１９】他方、ＥＧＲ制御は、ＥＧＲ制御弁２９を
開閉することによって行なわれる。ここで、ＥＧＲ制御
弁２９は、例えば図５に示すように、エンジン負荷が所
定値θ2以下の低負荷領域では開かれ、ＥＧＲガスが吸
気系に導入される。またθ2を超える高負荷領域ではＥ
ＧＲ制御弁２９が閉じられ、ＥＧＲガスの導入が停止さ
れる。なお、このθ2は、前記した開閉弁制御における
θ1と同一でも、また異なる値でもよい。ここで、エン
ジン負荷がθ2以下の低負荷領域では、図６に示すよう
なＥＧＲレシオが設定される。
【００２０】一般的には、ＥＧＲガス量が多いほど、燃
焼温度が抑制され、ＮＯx等の排気エミッションが低減
される。しかしながら、高負荷時には燃料噴射量が多い
ので、ＥＧＲガスを導入するとその分だけ、燃料の燃焼
に必要なエア(酸素)が不足し、エンジン出力の低下を招
くとともに、不完全燃焼によるスモークが発生する。そ
こで、エンジン負荷がθ2を超える高負荷領域ではＥＧ
Ｒガスの導入を行わないようにしている。このように、
θ2以下の低負荷領域では、エンジン負荷に応じて吸気
系にＥＧＲガスが供給され、各気筒１内の燃焼温度の不
必要な上昇が防止され、ＮＯx等の排気エミッションが
低減される。
【００２１】ところで、エンジンＥには、出力を高める
ために排気ターボ式過給機１２が設けられている。この
ため、エンジン回転数がある値Ｎ1を超えるような高回
転領域では、吸気圧が排気圧より高くなる。そして、か
かる高回転領域でＥＧＲ制御弁２９を開くと、吸気が排
気系に逆流することになる。そこで、本実施例では図４
に示すように、吸気圧が排気圧よりも高くなるＮ1を超
える高回転領域において、所定の負荷領域Ｓでは、第１
開閉弁１５を開き、第２開閉弁１８を閉じ、第３開閉弁
２２を所定の開度で部分的に開く(絞る)ことによって、
吸気系にＥＧＲガスを導入できるようにしている。すな
わち、この場合、第２開閉弁１８が閉じられ、かつ第３
開閉弁２２が絞られているので、吸気負圧によって第２
吸気集合部２０内の吸気圧が低下して、排気圧よりも低
くなる。このため、ＥＧＲガスが第２吸気集合部２０内
に流入し、吸気圧が排気圧より高い領域でもＥＧＲガス
を各気筒１に供給できる。
【００２２】
【発明の作用・効果】第１の発明によれば、低負荷時
に、連通路開閉弁を閉じかつ第２分岐通路開閉弁を開く
ことによって、吸気の大部分を、第２分岐通路を介して
各気筒に供給することができる。すなわち、第１分岐通
路はインタクーラの通気抵抗があるので、吸気が流れに
くいからである。このとき、過給機で昇温された吸気が
ほとんど冷却されずに各気筒に供給されるので、燃焼性
が高められ、排気エミッションが低減される。また、こ
の場合、スワールが弱くなるので、着火性が高められ、
排気エミッションが一層低減される。高負荷時には、連
通路開閉弁を開きかつ第２分岐通路開閉弁を閉じること
によって、過給機で昇温された吸気をすべてインタクー
ラで冷却した後、第１,第２吸気集合部を介して、第１,
第２吸気ポートから各気筒に供給することができる。こ
のため、吸気充填効率が高められ、エンジン出力が高め
られる。また、両吸気ポートによってスワールが生成さ
れるので、強いスワールが生成され、燃焼性が大幅に高
まり、排気エミッションが低減される。つまり、少ない
開閉弁で、低負荷時には、吸気温が高くかつ低スワール
の吸気が得られ、燃焼性が高められ、低エミッション化
が図られる。高負荷時には、吸気温が低くかつ高スワー
ルの吸気が得られ、高出力化と低エミッション化とを両
立させることができる。
【００２３】第２の発明によれば、基本的には、第１の
発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、低負荷時
には、第１分岐通路開閉弁によって第１分岐通路が閉じ
られるので、吸気がすべて第２分岐通路側から各気筒に
供給され、またエアヒータで吸気を加熱することができ
るので、吸気温が一層高められ、燃焼性がとくに高めら
れる。また、第２吸気ポートによって生成されるスワー
ルが弱いので、着火性がとくに高められる。
【００２４】第３の発明によれば、基本的には、第２の
発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、第１分岐
通路開閉弁を開き、第２分岐通路開閉弁を閉じ、連通路
開閉弁を絞ることによって、第２吸気集合部内の吸気圧
を低下させることができる。したがって、過給により、
吸気圧が排気圧よりも高い場合でも、吸気系にＥＧＲガ
スを導入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す過給機付ディーゼルエン
ジンとその吸気装置のシステム構成図である。
【図２】図１に示す吸気装置の、低負荷時における状態
を示す図である。
【図３】図１に示す吸気装置の、高負荷時における状態
を示す図である。
【図４】スワール及び吸気温の特性を、エンジン負荷と
エンジン回転数とに対してあらわした図である。
【図５】ＥＧＲの特性を、エンジン負荷とエンジン回転
数とに対してあらわした図である。
【図６】ＥＧＲレシオのエンジン負荷に対する特性を示
す図である。
【符号の説明】
Ａ…吸気装置 Ｅ…ディーゼルエンジン １…気筒 ２,３…第１,第２吸気ポート １０…共通吸気通路 １２…排気ターボ過給機 １３,１４…第１,第２分岐通路 １５,１８,２２…第１〜第３開閉弁 １６…インタクーラ １７…第１吸気集合部 １９…エアヒータ ２０…第２吸気集合部 ２１…連通路 ２８…ＥＧＲ通路 ２９…ＥＧＲ制御弁 ３０…コントロールユニット
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｐ ３０１Ｕ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｊ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 各気筒に夫々、吸気弁によって開閉され
    る第１,第２吸気ポートが設けられる一方、吸気通路に
    過給機が設けられた過給機付ディーゼルエンジンにおい
    て、 各気筒の第１,第２吸気ポートがともにスワールを生成
    するように形成される一方、各第１吸気ポートに吸気を
    分配して供給する第１吸気集合部と、各第２吸気ポート
    に吸気を分配して供給する第２吸気集合部と、第１吸気
    集合部と第２吸気集合部とを互いに連通させる連通路
    と、該連通路を開閉する連通路開閉弁と、過給機下流で
    吸気通路から分岐して、夫々第１,第２吸気集合部に接
    続される第１,第２分岐通路と、第１分岐通路内の吸気
    を冷却するインタクーラと、第２分岐通路を開閉する第
    ２分岐通路開閉弁とが設けられ、かつ上記連通路開閉弁
    を、低負荷時には閉じ高負荷時には開くように制御する
    吸気制御手段が設けられていることを特徴とする過給機
    付ディーゼルエンジンの吸気装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載された過給機付ディーゼ
    ルエンジンの吸気装置において、 第２吸気ポートが第１吸気ポートよりも弱いスワールを
    生成するように形成され、第１分岐通路を開閉する第１
    分岐通路開閉弁と、第２分岐通路内の吸気を加熱するエ
    アヒータとが設けられる一方、吸気制御手段が、第１,
    第２分岐通路開閉弁を、低負荷時には第１分岐通路開閉
    弁が閉じ第２分岐通路開閉弁が開く一方、高負荷時には
    第１分岐通路開閉弁が開き第２分岐通路開閉弁が閉じる
    ように制御することを特徴とする過給機付ディーゼルエ
    ンジンの吸気装置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載された過給機付ディーゼ
    ルエンジンの吸気装置において、 第２吸気集合部にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ手段が設
    けられ、吸気制御手段が、ＥＧＲ手段を、所定の高負荷
    時にはＥＧＲガスの導入を停止するように制御すること
    を特徴とする過給機付ディーゼルエンジンの吸気装置。
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