JP4007073B2 - ターボ過給式エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ過給式エンジンに係り、特に機械式カムによらずアクチュエータを利用して排気弁を駆動するいわゆるカムレス動弁システムを備えたターボ過給式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンに搭載されるターボチャージャのタービン効率は、タービンに流入する排気ガスの脈動状態により大きく変化する。ディーゼルエンジンの例では、低速でタービン効率が１００％を越えることもある。ここでいうタービン効率とは、タービンの入口圧力、入口温度、出口圧力及び出口温度の１サイクル平均値から算出した見掛け上のタービン効率である。またエンジンと過給機とを組み合わせたときの過給機の効率である。従って１００％を越えることもあり得る。「見掛け」であっても実際のエンジン性能はそのタービン効率に大きく影響を受ける。タービン効率を向上させるには、タービン入口における排気ガスの脈動を強くし、且つその周波数を低く抑えるのが有効である。このため次のような対策がとられることがある。
【０００３】
▲１▼ 排気マニホールドとタービンハウジングとを二分割し、それぞれの排気マニホールドからそれぞれのタービンハウジングに排気脈動を独立して流入させる。
【０００４】
▲２▼ 排気マニホールドの容積を小さくして排気脈動が強まるようにする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの対策はそれなりに効果をあげている。しかし、これらでは排気マニホールドの容積が小さくなるため、排気抵抗が増え逆効果になってしまうことがある。
【０００６】
一方、特開平９−１２５９９４号公報には、可変バルブタイミング機構を備えたターボ過給式エンジンにおいて、排気弁の開弁開始時期を遅らせることにより、排気ガスを圧縮加圧した状態でシリンダ外に放出し、タービンに与える排気エネルギを高めるという技術が開示されている。
【０００７】
しかし、これだと排気ガスを圧縮するのに余計なエネルギを必要とするため、燃費の悪化が生ずるという欠点がある。また排気弁が開閉時期は可変であるものの基本的にカム駆動であるため開閉速度までは制御できないという欠点もある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、タービン効率を向上し、燃費を低減し得るターボ過給式エンジンを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るターボ過給式エンジンは、排気ガスによりタービンを回転させ、そのタービンによって駆動されるコンプレッサにより吸気を過給するものであって、排気弁を駆動するアクチュエータと、このアクチュエータを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記排気弁が膨張行程の終期であるピストン下死点以前に開弁を開始して上記ピストン下死点以前に最大リフトに達し、且つ、その排気弁が最大リフトである状態を排気行程の中期まで維持するように、上記アクチュエータを制御するものである。
【００１０】
これによれば、排気弁をピストン下死点以前に最大リフトとし且つその状態を排気行程の中期まで維持することによりピーク値の高い強い排気脈動が得られ、タービン効率の向上ひいては燃費低減が図れる。開弁は機械式カムによる場合と同じ時期に開始するので、排気ガスを余計に圧縮することがなく燃費悪化が生じない。
【００１１】
ここで、上記制御手段は、上記排気弁が排気行程の中期に閉弁を開始し、且つ、その排気弁の閉弁を吸気行程の初期に終了するように、上記アクチュエータを制御するものであって、上記制御手段は、上記排気弁の開弁速度が上記排気弁の閉弁速度よりも速くなるように、上記アクチュエータを制御するのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１５】
図６に本実施形態のターボ過給式エンジンを示す。このエンジン１はディーゼルエンジンであり、吸気通路２の出口を吸気弁３により開閉し、排気通路４の入口を排気弁５により開閉するようになっている。周知のように吸気通路２は吸気ポート、吸気マニホールド及び吸気管等からなり、排気通路４は排気ポート、排気マニホールド及び排気管等からなる。エンジン１はターボ過給機即ちターボチャージャ６を備え、ターボチャージャ６は排気通路４に設けられたタービン７と吸気通路２に設けられたコンプレッサ８とを含み、タービン７に送られてきた排気ガスのエネルギを利用してコンプレッサ８を駆動し、吸気を過給するようになっている。燃料は燃料噴射弁としてのインジェクタ９からシリンダ１０内に直接噴射される。
【００１６】
エンジンを電子制御するため制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）１１が設けられ、これにはエンジン運転状態（回転速度、負荷、クランク角等）を検出するための各種センサ類（図示せず）が接続される。ＥＣＵ１１は、これらセンサ類の出力に基づき実際のエンジン運転状態を常時把握し、このエンジン運転状態に基づきインジェクタ９を制御する。
【００１７】
吸気弁３及び排気弁５を開閉駆動するための吸気弁駆動アクチュエータ１２及び排気弁駆動アクチュエータ１３が設けられる。これらアクチュエータ１２，１３はいずれも同様の構成とされ、本実施形態では油圧を駆動力として利用するものである。但し、これには限定されず、空圧や電磁力等を利用するものであってもよい。アクチュエータ１２（１３）はピストンとリターンスプリングとを有しており（いずれも図示せず）、ＯＮのとき油圧を導入してピストンにより吸気弁３（排気弁５）を開作動（リフト）させると共に、ＯＦＦのとき油圧を排出してリターンスプリングにより吸気弁３（排気弁５）を閉作動させる。アクチュエータ１２，１３のＯＮ／ＯＦＦはＥＣＵ１１により制御され、これにより吸気弁３及び排気弁５の開弁開始時期、開弁時間及び開弁終了時期が制御可能である。またアクチュエータ１２，１３がＥＣＵ１１によりデューティ制御され、これにより油圧の導入・排出速度が可変であり、アクチュエータ１２，１３の作動速度ひいては吸気弁３及び排気弁５の開弁速度及び閉弁速度が制御可能である。
【００１８】
このように、このエンジン１では所謂カムレス方式を採用し、特に排気弁５の開閉時期及び／又は開閉速度を自由且つ積極的にコントロールできる。そこで、従来からある通常の機械式カムによる場合に比べ、異なる排気弁５のリフト特性を与え、タービン効率の向上ひいては燃費の低減を図るようにしている。
【００１９】
図１は通常の機械カム方式と本実施形態のカムレス方式との違いを示した排気弁リフト線図である。▲１▼がカム方式の場合、▲２▼がカムレス方式の場合である。なお▲３▼は吸気弁のリフト線図である。従来のカム方式▲１▼では、カム形状によって定まる山形の曲線を描き、バルブのジャンプ、バウンス、面圧、慣性力等、機械構造上の理由から、ある程度決まった一定の山形のリフト曲線を描く。特に開弁速度についても一定の限界がある。
【００２０】
これに対し、本実施形態のカムレス方式▲２▼では、カム方式▲１▼の場合に比べ排気弁を急開する。即ち排気弁の開弁速度をカム方式よりも速くする。こうすると、後述するように、排気通路内における排気ガス圧力が従来より増加し、タービン入口圧力の増大によりタービン効率を向上することができる。カムレス方式の場合、カム方式より機械構造上の制約が少なく、弁作動速度は専らアクチュエータ１３の性能によるので、このような排気弁の急開が可能になるのである。
【００２１】
本実施形態のカムレス方式▲２▼の場合、排気弁の開弁開始時期、開弁終了時期及び開弁時間はカム方式▲１▼の場合とほぼ等しく、開弁開始時期が−３０°ＢＢＤＣ、開弁終了時期が２０°ＡＴＤＣ、開弁時間は２３０°ＣＡである。最大リフト量はカム方式▲１▼と等しい。そして開弁開始時期の到来と同時に排気弁を瞬間的に最大量までリフトさせ、この状態を維持し、カム方式▲１▼の最大リフト時期になったら、カム方式▲１▼のプロフィールに乗せて排気弁を閉じていき、開弁を終了する。つまりプロフィールが異なるのは開作動側だけで閉作動側はカム方式▲１▼と同じである。特に閉作動終了直前は弁着座時の衝撃を考慮して低速にするのが好ましい。なお、▲２▼’で示されるように、開作動終了直前で徐々に開弁速度を落としても良い。
【００２２】
これによると次のような効果が得られる。図２は排気ポート内圧力を比較した試験結果である。なおエンジン回転数は低速（８００ｒｐｍ）で一定であり、定常運転状態である。線図は多気筒のうちの任意の１気筒に係るもので、図の中央のものが当該気筒の排気弁開弁により直接得られる圧力ピーク、図の左右に示されるものが他の気筒の排気弁開弁により得られる圧力ピークである。この図から分かるように、本実施形態のカムレス方式▲２▼の場合、従来のカム方式▲１▼より大きな（２倍程度）圧力ピーク値（最大値）が得られ、強い排気脈動が得られる。また本実施形態のカムレス方式▲２▼の場合、圧力ピークは、排気弁の開弁開始時期から開弁時間の１／４以下の時間内に生じ、またそうなるように排気弁駆動アクチュエータ１３が制御される。
【００２３】
図３はターボチャージャ６のタービン７におけるタービン効率を比較したシミュレーション結果である。ここでいうタービン効率とは前述した見掛け上のタービン効率である。従って１００％を超える値をとり得る。図から分かるように、本実施形態のカムレス方式▲２▼の場合、従来のカム方式▲１▼よりタービン効率が増大しており、特に低速側になるほど増大が顕著である。低速側ほど増大する理由は排気ガスの脈動周波数が低速側ほど低くなるためである。実際に燃費向上に繋がるのは真のタービン効率よりむしろ見掛け上の効率をアップすることであり、タービンの性能自体をアップすることよりむしろタービンの動作環境を改善することである。
【００２４】
図４はターボチャージャ６のコンプレッサ８により生成される過給圧を比較した試験結果である。これから分かるように、本実施形態のカムレス方式▲２▼の場合、従来のカム方式▲１▼より過給圧が増大しており、特に低速側になるほど増大が顕著である。これは図３に示したタービン効率増大効果に起因するものである。本実施形態により従来に比べ特に低速側での過給圧向上が図られる。
【００２５】
図５は燃費を比較した試験結果である。これから分かるように、本実施形態のカムレス方式▲２▼の場合、従来のカム方式▲１▼より燃費（ＳＦＣ（ｇ／ｋＷｈ））の低減が図れ、特に低速側になるほど低減効果が著しい。これも図３に示したタービン効率増大効果等に起因する。また、排気弁急開により従来より早期に筒内圧が下がるので、ピストンの上昇により排ガスを押し出すときの仕事が減り、これも燃費が低減する理由と考えられる。
【００２６】
このように、本実施形態によれば、従来よりピーク値の大きい強い排気脈動を得ることができ、タービン効率の向上が図れ、特に低速側でのブーストアップや燃費低減を図れる。また排気弁の急開によりタービン入口圧力が急速に立ち上がるのでタービンの応答遅れも改善できる。
【００２７】
また、特開平９−１２５９９４号公報の技術では、排気弁開弁開始時期を遅らせて排気ガスを圧縮するため燃費の悪化が生ずるが、本実施形態では排気弁開弁開始時期がカム方式と同じなので、同公報の技術のように排気ガスを圧縮することがなく、燃費が悪化することがない。また同公報の技術では加速時のみ有効であるのに対し、本実施形態では加速時に限らず定常運転時にも有効であり、従って幅広い運転領域において燃費の低減等を実現できる。
【００２８】
ところで、上記の考え方を拡張すると、カムレス方式によれば、排気弁の開弁時期及び／又は開弁速度を制御することにより排気脈動を制御することが可能である。従ってこのような制御によりできるだけタービン効率を高め得るような排気脈動を作り出すことで燃費を低減できる。この場合、同公報の技術の如く排気ガスを圧縮しないという考え方に基づけば、開弁開始時期はカム方式と同時期とするのが好ましく、主に開弁速度の制御により所望の排気脈動を得るようにする。このような排気弁制御によりタービン効率を高め燃費を低減できる。
【００２９】
なお、本発明はディーゼルエンジンの他ガソリンエンジンにも有効である。また小型・大型エンジンいずれにも有効であるが、特に低速域での効果が大きいことから大型エンジンに有効である。本実施形態では吸気弁もアクチュエータにより駆動するようにしたが、必ずしもその必要はなく吸気弁は機械式カムにより駆動しても良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、タービン効率の向上が図れ、燃費低減等が図れるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態と従来とを比較した排気弁リフト線図である。
【図２】本実施形態と従来とを比較した排気ポート内圧力線図である。
【図３】本実施形態と従来とを比較したタービン効率線図である。
【図４】本実施形態と従来とを比較した過給圧線図である。
【図５】本実施形態と従来とを比較した燃費線図である。
【図６】本実施形態のエンジンを示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 排気通路
５ 排気弁
６ ターボチャージャ
７ タービン
１１ 電子制御ユニット
１３ 排気弁駆動アクチュエータ

Claims (2)

1. 排気ガスによりタービンを回転させ、そのタービンによって駆動されるコンプレッサにより吸気を過給するターボ過給式エンジンであって、
   排気弁を駆動するアクチュエータと、該アクチュエータを制御する制御手段とを備え、 上記制御手段は、上記排気弁が膨張行程の終期であるピストン下死点以前に開弁を開始して上記ピストン下死点以前に最大リフトに達し、且つ、その排気弁が最大リフトである状態を排気行程の中期まで維持するように、上記アクチュエータを制御することを特徴とするターボ過給式エンジン。
2. 上記制御手段は、上記排気弁が排気行程の中期に閉弁を開始し、且つ、その排気弁の閉弁を吸気行程の初期に終了するように、上記アクチュエータを制御するものであって、
   上記制御手段は、上記排気弁の開弁速度が上記排気弁の閉弁速度よりも速くなるように、上記アクチュエータを制御する請求項１に記載のターボ過給式エンジン。

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