JP3719611B2 - 排気還流装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関の排気還流装置に関し、特には、通常サイクルとミラーサイクルとの変換を可能にした可変圧縮比エンジンの排気還流装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用エンジンでは、従来より、排気ガス中に含まれるNOxを低減するために、不活性ガスである排気ガスを吸気中に還流し、燃焼ガス温度を低下させる排気還流(EGR)が行われている。
【0003】
ところで、エンジンの高負荷時にはEGRガスの温度が低いほど体積効率が向上し、EGRガス量が多いほど燃焼温度が低下してNOxが減少する。
軽負荷時にはEGRガスの温度が低いと燃焼が不安定になるのでEGRガスの温度は高い方が良い。
そのため、EGRガスの冷却手段を設けて高負荷時にはEGRガスを冷却し、軽負荷時にはEGRガスを冷却しないように制御する方法をとったものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高負荷時にEGRを行うと燃費悪化、出力低下などの悪影響が生ずる。したがって、EGRガスの供給量(EGR率)は低負荷時ほど多く、高負荷時ほど少なくする必要がある。
【0005】
本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、低負荷時にはEGR率を高くし、高負荷時にはEGR率を低くして、特に通常サイクルとミラーサイクルとの変換が可能な可変圧縮比エンジンの広い運転域に対して、常に最適のEGRを行う排気還流装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る排気還流装置の第1発明においては、排気還流装置において、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁を備え、1個の吸気弁、および2個の排気弁を作動させるカムを設けた第1のカムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動させるカムを設けた第2カムシャフトとを具備し、前記第1のカムシャフトと前記第2カムシャフトの位相を変更可能としたことを特徴としている。
【0007】
第2の発明においては、排気還流装置において、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁を備え、1個の吸気弁、および2個の排気弁を作動させるカムを設けた第1のカムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動させるカムを設けた第2カムシャフトとを具備し、前記第1のカムシャフトと前記第2カムシャフトの位相を変更可能とし、高負荷時には、前記排気弁の閉時期を吸気行程のピストン上死点付近とし、前記吸気弁の開閉時期を吸気行程のピストン上死点付近から吸気行程のピストン下死点前90°付近とし、前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程初期の短時間開き、低負荷時には、前記第2カムシャフト側の吸気弁の閉時期を吸気行程のピストン下死点付近とし、かつ前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程のピストン下死点前90°付近の短時間開くことを特徴としている。
【0008】
第3の発明においては、排気還流装置において、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁を備え、1個の吸気弁、および2個の排気弁を作動させるカムを設けた第1のカムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動させるカムを設けた第2カムシャフトとを具備し、前記第1のカムシャフトと前記第2カムシャフトの位相を変更可能とし、高負荷時には、前記排気弁の閉時期を吸気行程のピストン上死点付近とし、前記吸気弁の開閉時期を吸気行程のピストン上死点付近から吸気行程のピストン下死点付近とし、前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程のピストン下死点前90°付近で短時間開き、低負荷時には、前記第2カムシャフト側の吸気弁の閉時期を吸気行程のピストン下死点後90゜付近とし、かつ前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程のピストン下死点付近で短時間開くことを特徴としている。
【0011】
【作用】
上記構成によれば、排気還流装置を備えた内燃機関に、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁と、そのうちの1個の吸気弁および2個の排気弁を駆動する第1カムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動する第2カムシャフトとを設け、第2カムシャフトの位相を変化させることにより、1個の吸気弁と排気弁とのバルブタイミングを可変とした。
【0012】
そして、吸気行程において、吸気弁の閉時期をピストン下死点前に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン上死点付近とし、運転条件によっては少なくとも1個の吸気弁の閉時期をピストン下死点付近に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン下死点前に設定するようにした。そのため、高負荷時には低圧縮比の早閉じミラーサイクルとなり、その場合には排気還流は殆ど行われず、低負荷時には高圧縮比の通常サイクルとなり、その場合には排気還流が行われる。
【0013】
あるいは、吸気行程において、吸気弁の閉時期をピストン下死点付近に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン下死点前とし、運転条件によっては少なくとも1個の吸気弁の閉時期をピストン下死点後に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン下死点付近に設定するようにした。そのため、低負荷時には高圧縮比の通常サイクルとなり、その場合には排気還流が行われ、高負荷時には低圧縮比の遅閉じミラーサイクルとなり、その場合には排気還流は殆ど行われない。
【0014】
【実施例】
以下に、本発明に係る排気還流装置の実施例について、図面を参照して詳述する。
【0015】
図1は1気筒に吸気弁2個、排気弁2個を有するディーゼルエンジンのシリンダヘッド部分の平面断面図、図2はその側面断面図であり、図3は図1のX−X断面を示す側面断面図である。
シリンダヘッド1には第1吸気弁2、第2吸気弁3、第1排気弁4、第2排気弁5、および第1カムシャフト10、第2カムシャフト20が装着されている。
第1カムシャフト10には第1吸気弁2、第1排気弁4、および第2排気弁5用のカム11、12、および13が設けられており、カム12は直接第1排気弁4を作動し、カム11、およびカム13はそれぞれロッカアーム14、および15を介して第1吸気弁2、および第2排気弁5を作動する。
第2カムシャフト20にはカム21、およびカム22が設けられ、カム21は直接第2吸気弁3を作動し、カム22は図3に示すように、シリンダヘッド1に装着されたレバー23をピン24を中心に揺動させ、ロッカアーム15を作動させて、第2排気弁5を開閉する。
第2カムシャフト20は図示しない駆動装置により予め定められた角度だけ回転するようになっており、カム21、およびカム22の位相をずらすことにより第2吸気弁3、および第2排気弁5のバルブタイミングを遅らせることができる。
25はピストン、26、27は吸気通路、28は排気通路である。
【0016】
つぎに、作動について説明する。
図4は高負荷時におけるピストン25の動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図であり、縦軸は開口面積、横軸はピストン25の位置を示している。実線は弁1個の開口面積であり、細い2点鎖線は弁2個の総開口面積である。図中、Aは排気弁、Bは吸気弁、Cは第2排気弁を示す。
すなわち、第1、第2排気弁4、5はピストン下死点前から開き始め、ピストン上死点付近で閉じる。そして、その位相は常に同一である。また、第1、第2吸気弁2、3も位相は同一でピストン上死点付近から開き始め、ピストン下死点前90°付近で閉じるようになっている。
ピストン上死点付近で第2吸気弁3が開くとき、同時に第2排気弁5がCに示すように短時間開くが、ピストン上死点付近であるため、殆ど排気ガスは吸気中には還流しない。したがって、燃費悪化、出力低下の恐れはない。
【0017】
図5は高負荷時のPV線図である。
吸気行程において0から吸い込みを開始し、1aにおいて第1、第2吸気弁2、3は閉じるため筒内圧力は低下し、矢印に沿って1bに至る。圧縮行程で1bから1aを経て2aに至り、燃焼、膨張行程で2aから3、4に至り、排気行程で4から1cに至り、1cから0に至る。
すなわち、早閉じミラーサイクルとなり、吸気行程の終わり付近では1a−1b−1aという膨張、圧縮を行うだけなので、実質的な圧縮比は低くなり、このときの圧縮比は11〜13付近である。したがって、高出力化が可能となる。
【0018】
図6は低負荷時におけるピストン25の動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図であり、この場合には第2カムシャフト20を駆動装置により回転させてカム21、および22の位相を変更し、第2吸気弁3の閉位置を遅らせてピストン下死点付近にする。図中、B1は第1吸気弁2を示し、B2は第2吸気弁3を示す。したがって、第2排気弁5はCに示す位置、すなわち、ピストン下死点前90°付近となり、排気ガスは吸気中に還流され、EGR率は高くなり、NOxの発生を低減する。
【0019】
図7は低負荷時のPV線図であり、吸気行程0−1、圧縮行程1−2、燃焼行程2−3、膨張行程3−4、排気行程4−1−0の通常のサイクル作動となる。このときの圧縮比は15〜17で、良好な始動性と燃焼状況とを得ることができる。
【0020】
上記のエンジン負荷と、圧縮比、あるいはEGR率との関係を整理するとつぎのようになる。
図8はエンジン負荷と圧縮比との関係を示す図であり、縦軸はエンジンの負荷、横軸はエンジン回転数を示す。一番外側の曲線はエンジンの最大出力時のトルク曲線である。
図に示すように負荷が大きくなるほど圧縮比は低くなり、負荷が小さくなるほど圧縮比は高くなる。
【0021】
図9はエンジン負荷とEGR率との関係を示す図であり、図8と同様に縦軸はエンジンの負荷、横軸はエンジン回転数である。
図に示すように負荷が大きくなるほどEGR率は低くなり、負荷が小さくなるほどEGR率は高くなる。
【0022】
図10は1気筒あたりそれぞれ2個の吸、排気弁を備えたガソリンエンジンのシリンダヘッド部分の平面断面図であり、図11は側面断面図、図12は図10のY−Y断面を示す側面断面図である。
シリンダヘッド31には第1吸気弁32、第2吸気弁33、第1排気弁34、第2排気弁35、および第1カムシャフト40、第2カムシャフト50が装着されている。
第1カムシャフト40には第1吸気弁32、第1排気弁34、および第2排気弁35用のカム41、42、および43が設けられており、カム41はロッカアーム44を介して第1吸気弁32を作動し、カム42は直接第1排気弁34を作動し、カム43はシリンダヘッド31にピン45により揺動自在に軸着されたレバー46を介して第2排気弁35を作動する。
第2カムシャフト50にはカム51、および52が設けられ、カム51は直接第2吸気弁33を作動し、カム52はシリンダヘッド31にピン53により揺動自在に軸着されたレバー54によりレバー46を揺動させ、第2排気弁35を開閉する。
第2カムシャフト50は図示しない駆動装置により予め定められた角度だけ回転するようになっており、カム51、および52の位相をずらすことにより第2吸気弁33、および第2排気弁35のバルブタイミングを遅らせることができる。
55はピストン、56、57は吸気通路、58は排気通路である。
【0023】
つぎに作動について説明する。
図13は低負荷時のピストン55の動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図であり、縦軸は吸、排気弁の開口面積、横軸はピストン55の位置を示している。実線は弁1個の開口面積であり、細い2点鎖線は弁2個の総開口面積を示している。図中、Aは排気弁、Bは吸気弁、Cは第2排気弁を示す。
すなわち、第1、第2排気弁34、35はピストン下死点前から開き始め、ピストン上死点付近で閉じる。そして、その位相は常に同一である。
第1、第2吸気弁32、33はともに位相は同一で、ピストン上死点付近から開き始め、ピストン下死点付近で閉じる。このとき第2排気弁35はピストン下死点前90°付近で短時間開き、排気ガスは吸気中に還流され、EGR率は高く、NOxの発生を低減する。
【0024】
図14は低負荷時のPV線図であり、吸気行程0−1、圧縮行程1−2、燃焼行程2−3、膨張行程3−4、排気行程4−1−0のサイクル作動を行う。このときの圧縮比は11〜13付近とし、始動性や熱効率を向上し、燃費低減やCO2 の発生量低減が可能となる。
【0025】
図15は高負荷時のピストン55の動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図であり、図中、Aは排気弁、B1は第1吸気弁32、B2は第2吸気弁33、Cは第2排気弁35を示す。
この場合は図示しない駆動装置により第2カムシャフト50を回転させ、第2吸気弁33の閉時期をピストン下死点後90°とする。したがって、第2排気弁35の開閉時期はピストン下死点付近となり、排気ガスは吸気中に殆ど還流されない。したがって、燃費悪化、出力低下は発生しない。
【0026】
図16は高負荷時のPV線図であり、吸気行程0−1で吸気し、圧縮行程では1−1dでは第2吸気弁33が開いているため昇圧せず、1d点で第2吸気弁33が閉じるので圧縮行程は1d−2bとなる。以後は燃焼行程2b−3、膨張行程3−4、排気行程4−1−0の遅閉じミラーサイクル作動となる。このときの圧縮比は8〜10付近であり、高出力発生可能であるとともに高出力時のノッキングの発生を防止する。
【0027】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁とを有し、2本のカムシャフトによりこれらの吸、排気弁を作動し、1本のカムシャフトの位相を変更して1個の吸気弁および排気弁のバルブタイミングを可変にした。
【0028】
そして、吸気行程で吸気弁の閉時期をピストン下死点前に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン上死点付近に設定したため圧縮比は低くなり、早閉じミラーサイクル作動となり高出力化が可能となるが、排気還流は殆ど行われないので高出力時の燃費悪化、出力低下は発生しない。
また、低負荷時には少なくとも1個の吸気弁の閉時期をピストン下死点付近に設定し、排気弁の開閉時期をピストン下死点前に設定できるようにしたため、圧縮比は高くなり、通常サイクル作動となり、始動性は良好で、燃焼状態も良く、EGR率は高くなってNOxの発生を低減する。
【0029】
あるいは、吸気行程で吸気弁の閉時期をピストン下死点付近に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン下支点前に設定したため圧縮比は高くなり、通常サイクル作動となり、始動性は良好で、燃焼状態も良く、EGR率は高くなってNOxの発生を低減する。
また、高負荷時には少なくとも1個の吸気弁の閉時期をピストン下死点後に設定するとともに、排気弁の開閉時期をピストン下死点付近に設定できるようにしたため圧縮比は低くなり、遅閉じミラーサイクル作動となり高出力化は可能となるが、排気還流は殆ど行われないので高出力時の燃費悪化、出力低下は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排気還流装置を備えたディーゼルエンジンのシリンダヘッド部分の平面断面図である。
【図2】同エンジンの側面断面図である。
【図3】同エンジンの排気弁駆動装置の側面断面図である。
【図4】同エンジンの高負荷時のピストンの動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図である。
【図5】同エンジンの高負荷時のPV線図である。
【図6】同エンジンの低負荷時のピストンの動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図である。
【図7】同エンジンの低負荷時のPV線図である。
【図8】同エンジンの負荷と圧縮比の変化との関係を示す図である。
【図9】同エンジンの負荷とEGR率の変化との関係を示す図である。
【図10】本発明の排気還流装置を備えたガソリンエンジンのシリンダヘッド部分の平面断面図である。
【図11】同エンジンの側面断面図である。
【図12】同エンジンの排気弁駆動装置の側面断面図である。
【図13】同エンジンの低負荷時のピストンの動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図である。
【図14】同エンジンの低負荷時のPV線図である。
【図15】同エンジンの高負荷時のピストンの動きと、吸、排気弁の開口面積との関係を示す図である。
【図16】同エンジンの高負荷時のPV線図である。
【符号の説明】
1、31‥‥シリンダヘッド、2、32‥‥第1吸気弁、3、33‥‥第2吸気弁、4、34‥‥第1排気弁、5、35‥‥第2排気弁、10、40‥‥第1カムシャフト、20、50‥‥第2カムシャフト、14、15、44‥‥ロッカアーム、46、54‥‥レバー。
Claims (3)
- 排気還流装置において、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁を備え、1個の吸気弁、および2個の排気弁を作動させるカムを設けた第1のカムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動させるカムを設けた第2カムシャフトとを具備し、前記第1のカムシャフトと前記第2カムシャフトの位相を変更可能としたことを特徴とする排気還流装置。
- 排気還流装置において、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁を備え、1個の吸気弁、および2個の排気弁を作動させるカムを設けた第1のカムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動させるカムを設けた第2カムシャフトとを具備し、前記第1のカムシャフトと前記第2カムシャフトの位相を変更可能とし、高負荷時には、前記排気弁の閉時期を吸気行程のピストン上死点付近とし、前記吸気弁の開閉時期を吸気行程のピストン上死点付近から吸気行程のピストン下死点前90°付近とし、前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程初期の短時間開き、低負荷時には、前記第2カムシャフト側の吸気弁の閉時期を吸気行程のピストン下死点付近とし、かつ前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程のピストン下死点前90°付近の短時間開くことを特徴とする排気還流装置。
- 排気還流装置において、1気筒当たり2個の吸気弁と、2個の排気弁を備え、1個の吸気弁、および2個の排気弁を作動させるカムを設けた第1のカムシャフトと、残りの吸気弁、および第1カムシャフトで作動中の1個の排気弁を作動させるカムを設けた第2カムシャフトとを具備し、前記第1のカムシャフトと前記第2カムシャフトの位相を変更可能とし、高負荷時には、前記排気弁の閉時期を吸気行程のピストン上死点付近とし、前記吸気弁の開閉時期を吸気行程のピストン上死点付近から吸気行程のピストン下死点付近とし、前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程のピストン下死点前90°付近で短時間開き、低負荷時には、前記第2カムシャフト側の吸気弁の閉時期を吸気行程のピストン下死点後90゜付近とし、かつ前記第2カムシャフトで開閉する排気弁を吸気行程のピストン下死点付近で短時間開くことを特徴とする排気還流装置。
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