JP4635397B2 - 多気筒内燃機関の気筒間ｅｇｒ運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転方法に係り、特に多気筒内燃機関の排気ガス再循環（ＥＧＲ）を伴う運転方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、排気系の一部をガス通路手段により吸気系の一部に接続し、かかるガス通路手段により排気の一部を吸気側に戻して吸気に混入させることが、排気ガス再循環の技術として知られている。かかる排気ガス再循環には、排気中にＮＯｘが排出されることを抑制する効果がある。尚、内燃機関に於けるＮＯｘの排出は、多くの場合、機関が十分暖機した後の運転における問題であり、機関が暖機するまでの運転においては、ＨＣやＣＯの排出の方が問題である。
【０００３】
排気系に酸化触媒を設けたディーゼルエンジンにおいて、アイドル運転時に各気筒の出力低下に伴う排気の温度低下によって酸化触媒が作動しなくなることに対処し、アイドル運転時には半数の気筒の排気ポートを出た排気を残り半数の気筒の吸気ポートへ戻す要領による排気ガス再循環を行ない、酸化触媒に至る排気が気筒を２度通った排気となることにより温度が高められ、酸化触媒の活性化を図ることが、特開平９−１１２２５６号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようする課題】
内燃機関の始動時、特に冷温始動時には、気筒が冷えていることから、燃料の不完全燃焼は避けられず、そのため排気中のＨＣやＣＯの濃度が高くなるという問題がある。これに対しては、排気ガス再循環により吸気の加熱を図ることが考えられるが、排気系の一部を管の如きガス通路手段により吸気系の一部に接続した従来の排気ガス再循環構造では、排気の再循環通路がかなり長く、またその熱容量がかなり大きいことから、機関の冷温始動時に排気ガス再循環により吸気の加熱を得るにはかなりの時間遅れが伴う。
【０００５】
本発明は、機関始動時、特に冷温始動時の排気浄化の問題に関し、近年実用化されつつある電磁式吸/排気弁の如く、クランク軸の回転とは独立して開閉タイミングの制御が可能な吸/排気弁、特に排気弁を用い、気筒間に排気ポートを介した排気ガス再循環を行うことにより吸気の早期の加熱を図り、もって機関始動時、特に冷温始動時の排気浄化を達成することを主たる課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するものとして、本発明は、排気マニホルドにて排気ポートが互いに接続された第一および第二の気筒を有する多気筒内燃機関を少なくとも所定期間にわたって前記第一の気筒の排気が前記排気マニホルドを経て吸気行程中にある前記第二の気筒の排気ポートより該第二の気筒内へ導入されるように運転することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間ＥＧＲ運転方法を提供するものである。
【０００７】
前記所定期間は、上に記した発明の主たる課題に鑑み、当然内燃機関の始動時を含んでいてよいが、排気マニホルドより排気ポートを経ての排気ガス再循環は、排気系より管の如きガス通路手段を経て排気を吸気系に戻す従来の排気ガス再循環に比して、何らの再循環用ガス通路手段を要せず、またそのオン/オフの迅速性を含む制御性に優れているので、機関始動時以外の機関運転中にも任意の機関運転制御に応じて適宜実施されてよい。
【０００８】
かかる気筒間ＥＧＲ運転においては、前記第二の気筒の吸気行程は前記第一の気筒の排気行程の少なくとも一部と重なるようになっていてよい。
【０００９】
また、排気マニホルドにて排気ポートが互いに接続された気筒が前記第一および第二の気筒の他に作動サイクルの順で見て該第一および第二の気筒の間に位置する第三の気筒を含み、前記第一の気筒が機関始動時に吸気行程を最初に行う気筒であるとき、前記第三の気筒については機関始動時に初回の作動サイクルにおける燃料の供給を行わないようにしてよい。
【００１０】
更にまた、排気マニホルドの集合部には絞り弁が設けられており、該排気マニホルドを経て前記第一の気筒の排気を前記第二の気筒の排気ポートより該第二の気筒内へ導入するに当たって、かかる絞り弁を絞るようにしてもよい。
【００１１】
【発明の作用および効果】
内燃機関の始動時、特に冷温始動時に、吸気に適当量の排気を混ぜることができれば、排気の熱によりシリンダ室にて圧縮される吸気の温度を高め、続く爆発行程における燃料の燃焼をよくし、排気中に排出されるＨＣやＣＯの量を低減させることができる。ただ、排気は吸気、圧縮、爆発の各行程を経て初めて生ずるので、機関始動時に最初に行なわれる吸気行程の吸気に排気を混入させることは不可能である。しかし多気筒内燃機関では、各気筒は順次ずらせて吸気、圧縮、爆発、排気の各行程を行うので、機関始動時に最初に吸気行程を行う気筒は別として、後続の気筒においては、もし先行して作動サイクルを行う気筒からの排気が排気マニホルドを介して排気ポートより供給されれば、従来の排気ガス再循環経路を経て排気が供給されるよりもより早く先行作動サイクルによる排気を受けることができ、それだけで早期に吸気加熱効果を得ることができる。
【００１２】
また、既に記したとおり、排気マニホルドより排気ポートを経ての排気ガス再循環は、排気系より管の如きガス通路手段を経て排気を吸気系に戻す従来の排気ガス再循環に比して、何らの再循環用ガス通路手段を要しないという構造上の利点があるだけでなく、そのオン/オフの迅速性を含む制御性に優れているので、機関始動時のＨＣやＣＯの抑制のためだけでなく、ＮＯｘの抑制をも含む排気ガス再循環運転全般にわたって排気ガス再循環率の制御をより高度に実施することを可能にする。
【００１３】
上記の如き排気ポートからの排気ガス再循環により第一の気筒の排気により第二の気筒の吸気加熱が最も早く達成できるのは、第二の気筒の吸気行程が第一の気筒の排気行程の少なくとも一部と重なるときである。
【００１４】
更に、排気マニホルドにて排気ポートが互いに接続された気筒が第一および第二の気筒の他に作動サイクルの順で見て該第一および第二の気筒の間に位置する第三の気筒を含み、該第一の気筒が機関始動時に吸気行程を最初に行う気筒であるとき、そのような第三の気筒について機関始動時に初回の作動サイクルにおける燃料の供給を行わないようにすれば、吸気加熱を経ない作動サイクルを減らし、排気ポートからの排気ガス再循環による吸気加熱の効果をよりよく発揮させ、機関始動時、特に冷温始動時のＨＣやＣＯの発生をより効果的に抑制することができる。
【００１５】
現在の多気筒内燃機関、特に車輌用多気筒内燃機関は、通常４気筒以上である。かかる多気筒内燃機関は、冷温状態にて始動されるときにも、始動後一瞬回転数が吹き上がるようになっている。かかる多気筒内燃機関においては、機関始動時に最初に作動する気筒に続く１、２ないし３程度の気筒の最初の作動サイクルが非作動とされても、機関の始動性に問題はなく、むしろ機関始動直後の回転数の吹き上がりがなくなり、機関始動が静粛化されるという利点が得られる。
【００１６】
更にまた、排気マニホルドの集合部に絞り弁を設け、排気マニホルドを経て第一の気筒の排気を第二の気筒の排気ポートより該第二の気筒内へ導入するに当たって、かかる絞り弁を適宜絞るようにすれば、第一の気筒の排気ポートより排出された排気を排気マニホルド内にて適宜第二の気筒の排気ポートへ向かわせることができ、排気マニホルドと排気ポートを介した気筒間ＥＧＲをより適切に行わせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細に説明する。
【００１８】
図１は４気筒４サイクルエンジンの気筒配列と吸/排気構造の本発明に係わる要部を示す概略図である。図において、気筒１、２、３、４は、それぞれ気筒１について符号を付した如くシリンダ室１０と吸気ポート２０と排気ポート３０とを備えており，吸気ポート２０および排気ポート３０は、それぞれ図示は省略されている吸気弁および排気弁により開閉されるようになっている。このうち特に排気ポート３０を開閉する排気弁は、従来のクランク軸回転に同期して回転されるカムによりクランク軸回転角や吸気弁の開閉に同期してのみ開閉されるものではなく、電磁式開閉弁の如く、図には示されていないマイクロコンピュータを備えた機関運転制御装置の制御判断に応じて独自に任意の開閉タイミングにて開閉され得るようになっているものである。この種の電磁式開閉弁の例は、例えば本件出願人と同一人の出願による特開２００１−１９３５０４号公報に示されている。但し、本発明にとって、電磁式開閉弁は排気ポート３０の開閉に適用できる一例であり、本発明における排気ポート３０の開閉は、上記のとおり機関運転制御装置の制御判断に応じて独自に任意の開閉タイミングにて開閉され得さえすれば、電磁式開閉弁により行なわれることに限られない。４気筒内燃機関の排気ポートは一般に図示の如きは熊手型の排気マニホルド４０により相互に接続されている。排気マニホルドの集合部には絞り弁５０が設けられていてよい。
【００１９】
図示の如く直列に配列された４つの気筒よりなる４気筒４サイクルエンジンにおける各気筒の作動サイクルは１８０°を単位として相互にずらされており、図示の如く左側より気筒を順に気筒１、２、３、４とすると、その作動順序は１−３−４−２である。
【００２０】
図２はこれらの気筒を上から作動順に並べてその作動サイクルを示した線図である。今説明の便宜上、機関始動に当たって気筒１が最初に吸気行程に入るとすると、気筒１が吸気行程を終えて圧縮行程に入るとき気筒３が吸気行程を開始し、次いで気筒１が爆発行程に入るとき気筒４が吸気行程を開始し、気筒１が排気行程に入るとき気筒２が吸気行程を開始する。そこで、本発明により各気筒が吸気行程中にも排気ポートを開くことができるようになっていれば、気筒１の排気行程に重なる気筒２の吸気行程中に気筒２の排気ポートを開くことにより、排気マニホルド４０の一部を通るだけで気筒１からの排気を直ちに気筒２の吸気に混入させ、吸気の温度上昇を図ることができる。尚、このとき気筒１からの排気を気筒２の排気ポートが受けやすくするよう、絞り弁５０を一時的に閉じる制御が行われてよい。
【００２１】
更に本発明によれば、気筒３および４のいずれか一方または両方は、吸気行程が図中破線にて示されていることから示唆されているように、その最初の作動サイクルが実質非作動とされてもよい。かかる気筒３または４の初回作動サイクルの実質非作動は、吸気行程において吸気ポートを開かないこと、あるいは吸気行程と圧縮行程とを通じて吸気ポートを開いたままとすること、のいずれよって行われてもよく、またいずれによる場合にも爆発行程ための燃料は供給しないことによって行われてよい。
【００２２】
かくして、気筒３および４の両方の初回作動サイクルが実質非作動とされるときには、機関始動時に吸気加熱が行われないのは最初に吸気行程を行う気筒１のみで済み、機関の冷温始動時にも燃料の燃焼が改善されて排気中へのＨＣやＣＯの排出が抑制される。尚、図示の実施例では、気筒２に続く気筒１の吸気行程においては、気筒１の排気行程の終了時に排気ポートを閉じる時期が次の吸気行程に幾分重なるまで延長され、それ自身の先の作動サイクルにて生じた排気の一部が吸気に混入され、吸気の加熱が行なわれる。
【００２３】
これ以後、気筒３の２回目の作動サイクルにおいては、その吸気行程の初期に気筒３の排気ポートが適宜開かれることにより、気筒１にて生じた排気の一部が吸気中に混入され、その加熱が行なわれる。同様に、続く気筒４の２回目の作動サイクルにおいては、その吸気行程の初期にその排気ポートが適宜開かれ、気筒１にて生じた排気、またはこのとき気筒２は既に排気行程にあるので、気筒２より得られた排気の一部が吸気中に混入され、その加熱が行なわれる。気筒２もまた、その排気行程の終りに、排気ポートが次の吸気行程に適宜重なるようその閉じ時点が適宜遅らされ、次の吸気行程における吸気が排気の一部の混入により加熱されてよい。同様のことは作動を開始した気筒３および４についても行なわれてよい。
【００２４】
４気筒４サイクルエンジンにおいては、図２に示すとおり機関始動時に最初に吸気行程を行う気筒の排気により後続の気筒の吸気加熱が可能となるのは、最初の気筒１から数えて三つ目の気筒であり、その間には気筒１の排気による吸気加熱が行えない二つの気筒があるので、これら二つの気筒の両者について第１回目の作動サイクルを行わせなければ,機関始動時のＨＣやＣＯの排出をよりよく抑制することができるが、機関始動の迅速性やその他の条件に応じて初回の作動サイクルを非作動とするのは、気筒３または４のいずれか一方にのみ限られてもよい。また、かかる排気による吸気の加熱は、各気筒について冷温始動後１０〜３０サイクルを実行する程度までであってよく、それによってシリンダヘッドやシリンダ壁は排気混入による吸気の加熱が行われなくても好ましいからざるＨＣやＣＯの排出を生じない程度に暖機される。
【００２５】
図３は直列６気筒４サイクルエンジンについて、その気筒配列とその吸/排気構造を、排気マニホルドが単一の場合について実線にて、また排気マニホルドを二つに分けた場合について破線にて示す、図１と同様の概略図である。この図においても、直列に配列された６つの気筒は気筒１〜６として番号を付されて示されている。各気筒はシリンダ室１０と吸気ポート２０と排気ポート３０とを備えており、各気筒の排気ポート３０は熊手型の単一の排気マニホルド４０または二つの排気マニホルド４０−１および４０−２により互いに接続されている。排気マニホルドにはその集合部に絞り弁５０または５０−１および５０−２が設けられている。かかる直列６気筒４サイクルエンジンにおける各気筒間の作動サイクルは１２０°を単位として順次ずらされており、通常その作動順序は１−５−３−６−２−４である。
【００２６】
図４は上記の如き作動順序にて６つの気筒が順次サイクル作動を行う場合の各気筒における吸気、圧縮、爆発、排気行程を示す線図である。単一の排気マニホルドの場合には、機関が気筒１の吸気行程から始動されるとすると、気筒２および４は初回の吸気行程時から気筒１の排気を吸気の加熱のために得ることができる。また、かかる実施例においても、気筒５、３、６のいずれか少なくとも一つについて、その第１回目の作動サイクルを実質的に行わせなければ、それだけ機関始動時のＨＣやＣＯの排出を抑制することができる。勿論、気筒５、３、６の全てついて第１回目の作動サイクルを行なわせなければ、ＨＣやＣＯの抑制については最大の効果が得られるが、この場合にも機関始動の迅速性に対する要求やその他の状況に応じて、第１回目の作動サイクルを行わせないのは、これら三つの気筒のうちいずれか一つまたは二つに制限されてよい。またこの実施例においても、各気筒が作動サイクルを開始したときには、次のサイクルにおける吸気の加熱は、それ自身の先のサイクルにおける排気ポートの閉じ時点を吸気行程の途中まで遅らせることにより、それ自身の先の作動サイクルにおける排気の一部によって行われてよい。絞り弁５０、５０−１、５０−２の作動要領は４気筒４サイクルエンジンについて上に説明したのと同じである。
【００２７】
排気マニホルドが二つに分けられた場合には、相互に他の気筒からの排気を吸気の加熱に利用できるのは二つの群のそれぞれに属する三つの気筒間のみである。気筒１−２−３の群については、気筒２がその最初の吸気行程に気筒１からの排気を用いることができ、気筒４−５−６の群については、気筒４がその最初の吸気行程に気筒５からの排気を用いることができる。それぞれの群について絞り弁５０−１または５０−２が同様に開閉制御されてよい。更に、気筒１−２−３の群については、気筒３の初回の作動サイクルが実質非作動とされてよく、気筒４−５−６の群については、気筒６の初回の作動サイクルが実質非作動とされてよい。
【００２８】
図５は３気筒ずつ二つの群に分けられたＶ型６気筒４サイクルエンジンの気筒配列および吸/排気構造の例を示す図１および図３と同様の概略図である。図５においても、気筒１〜６の各々はシリンダ室１０と吸気ポート２０と排気ポート３０とを備えており、気筒１と３と５とがそれらの排気ポートを排気マニホルド４０−１より互いに接続されて一つの群とされ、気筒２と４と６とがそれらの排気ポートを排気マニホルド４０−２より互いに接続されて他の一つの群とされている。排気マニホルド４０−１には絞り弁５０−１が、また排気マニホルド４０−２には絞り弁５０−２が設けられている。かかるＶ型６気筒４サイクルエンジンにおける気筒のサイクル作動の順序は気筒１−２−３−４−５−６であり、各気筒における吸気、圧縮、爆発、排気行程を順に示せば図６の線図に示す通りである。
【００２９】
この場合にも、相互に他の気筒からの排気を吸気の加熱に利用できるのは二つの群のそれぞれに属する三つの気筒間のみである。気筒１−３−５の群については、気筒５がその最初の吸気行程に気筒１からの排気を用いることができ、気筒２−４−６の群については、気筒６がその最初の吸気行程に気筒２からの排気を用いることができる。それぞれの群について絞り弁５０−１または５０−２が同様に開閉制御されてよい。更に、気筒１−３−５の群については、気筒３の初回の作動サイクルが実質非作動とされてよく、気筒２−４−６の群については、気筒４の初回の作動サイクルが実質非作動とされてよい。
【００３０】
図７は気筒が４つずつ２つの群に分けられたＶ型８気筒４サイクルエンジンについての気筒配列と吸/排気構造の例を示す図１、３、５と同様の図である。かかるＶ型８気筒４サイクルエンジンにおける気筒１〜８の作動順序は、好ましい一例として１−８−４−３−６−５−７−２とされ、各気筒における吸気、圧縮、爆発、排気行程を順に示せば図８の線図に示す通りである。この場合にも、他の気筒の排気により吸気の加熱が可能なのは気筒１と３と５と７の間および気筒２と４と６と８の間である。
【００３１】
気筒１−３−５−７の群については、気筒５および７がその最初の吸気行程に気筒１からの排気を用いることができ、気筒２−４−６−８の群については、気筒２がその最初の吸気行程に気筒８からの排気を用いることができる。更に、気筒１−３−５−７の群については、気筒３の初回の作動サイクルが実質非作動とされてよく、気筒４−５−６−８の群については、気筒４および６の初回の作動サイクルが実質非作動とされてよい。それぞれの群について絞り弁５０−１または５０−２が同様に開閉制御されてよい。
【００３２】
以上においては、本発明をいくつかの実施例について詳細に説明したが、本発明がこれらの実施例にのみ限られるもではなく、本発明の範囲内にて他に種々の実施例が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】４気筒４サイクルエンジンの気筒配列と吸/排気構造を本発明に係る要部についてのみ示す概略図。
【図２】図１に示す４気筒４サイクルエンジンが気筒１の吸気行程から始動されるとして各気筒の作動サイクルを示す線図。
【図３】直列６気筒４サイクルエンジンの気筒配列と吸/排気構造を本発明に係る要部についてのみ示す概略図。
【図４】図３に示す直列６気筒４サイクルエンジンが気筒１の吸気行程から始動されるとして各気筒の作動サイクルを示す線図。
【図５】Ｖ型６気筒４サイクルエンジンの気筒配列と吸/排気構造を本発明に係る要部についてのみ示す概略図。
【図６】図５に示すＶ型６気筒４サイクルエンジンが気筒１の吸気行程から始動されるとして各気筒の作動サイクルを示す線図。
【図７】Ｖ型８気筒４サイクルエンジンの気筒配列と吸/排気構造を本発明に係る要部についてのみ示す概略図。
【図８】図７に示すＶ型８気筒４サイクルエンジンが気筒１の吸気行程から始動されるとして各気筒の作動サイクルを示す線図。
【符号の説明】
１０…シリンダ室
２０…吸気弁
３０…排気弁
４０、４０−1、４０−２…排気マニホルド
５０、５０−1、５０−２…絞り弁

Claims (3)

1. 排気マニホルドにて排気ポートが互いに接続された第一の気筒、吸気行程が前記第一の気筒の排気行程の少なくとも一部と重なる第二の気筒、作動サイクルの順で見て前記第一および第二の気筒の間に位置する第三の気筒を有する多気筒内燃機関を少なくとも所定期間にわたって前記第一の気筒の排気が前記排気マニホルドを経て吸気行程中にある前記第二の気筒の排気ポートより該第二の気筒内へ導入されるように運転し、前記第一の気筒が機関始動時に吸気行程を最初に行う気筒であるとき、前記第三の気筒について機関始動時に初回の作動サイクルにおける燃料の供給を行わないことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間ＥＧＲ運転方法。
2. 前記所定期間は内燃機関の始動時を含むことを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関の気筒間ＥＧＲ運転方法。
3. 前記排気マニホルドの集合部には絞り弁が設けられており、該排気マニホルドを経て前記第一の気筒の排気を前記第二の気筒の排気ポートより該第二の気筒内へ導入するに当たって前記絞り弁を絞ることを特徴とする請求項１または２に記載の多気筒内燃機関の気筒間ＥＧＲ運転方法。

Images