JP4898739B2 - エンジンの給気装置 - Google Patents

Description

本発明は、主としてディーゼルエンジンに適用され、燃焼室にそれぞれ連通される給気ポート及び給気ポートを開閉する給気弁をエンジンの１シリンダにつき２個備えるとともに、エンジンの排気ガス通路中の排気ガスの一部を前記各給気ポートに還流するＥＧＲ通路を備えたエンジンの給気装置に関する。

図５は、排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンの装置の構成を概略平面図である。図において、３シリンダの４サイクルディーゼルエンジンであり、符号１で示されるシリンダには、１シリンダに付き２個の給気ポート３ａ，３ｂと２個の排気ポート４ａ，４ｂが接続されている。
エンジンの燃焼後の排気ガスは、各シリンダの２個の排気弁（図示省略）及び排気ポート４ａ，４ｂから排気マニホールド１１に集合してから、排気ターボ過給機２の排気タービン２ａに送りこまれて該排気タービン２ａを駆動する。

一方、排気タービン２ａに同軸駆動されるコンプレッサ２ｂによって圧縮された空気は、給気管７を通ってスロットル弁１０を経て給気マニホールド５に入る。１２は前記スロットル弁１０の開度を制御するスロットル弁１０である。
そして該給気マニホールド５から、所定のシリンダの給気弁が開くと、前記２個の給気ポート３ａ，３ｂを通ってシリンダ内に空気が導入される。
また、排気マニホールド１１後の排気通路１１ａから、エンジンの排気ガスの一部を抜き出してＥＧＲ管８０を通して前記給気マニホールド５に還流する。該ＥＧＲ管８０の通路面積はＥＧＲ弁２０によって調整される。

また、特許文献１（特開２００６−１１８３６２号公報）には、点火プラグ付きガスエンジンにおいて、ＥＧＲガスを燃焼室内の外周部位に向けて噴出させるＥＧＲガス噴出通路を設けて、該ＥＧＲガス噴出通路から噴出されるＥＧＲガスにより、燃焼室内の外周部位の酸素濃度を燃焼室内の中央部位の酸素濃度よりも低下せしめて、燃焼室内の中央部位と外周部位との混合を均一化し、外周部位のエンドガスの燃焼時におけるＮＯｘ発生量が抑制され、さらには外周部位に自着火性の大きいガスの残留が少なくなり、これによりノッキングの発生が抑制されるように構成されている。

特開２００６−１１８３６２号公報

図５に示されるような、従来の排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンにおいては、エンジンの低、中負荷運転時にはシリンダ１の燃焼室内のＮＯｘ低減を図るため、給気マニホールド５上流の給気管７に設けたスロットル弁１０をスロットル弁制御装置１２のよって絞るとともに、ＥＧＲ管８０中のＥＧＲ弁２０の開度を上昇させて、給気マニホールド５内におけるＥＧＲ混合比（全給気量に対するＥＧＲ量の比）を上昇させて、シリンダ１の燃焼室内の燃焼温度を下げることにより、ＮＯｘ発生量を低減している。

このため、かかる１シリンダに付き２個の給気ポート３ａ，３ｂと２個の排気ポート４ａ，４ｂを備えた排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンにおいては、エンジンの低、中負荷運転時において、スロットル弁１０を絞りＥＧＲ弁２０の開度を上昇させて給気中のＥＧＲ混合比を上昇させるため、給気通路（給気管７）がスロットル弁１０により絞られて給気の圧力損失が増加する。
また、前記低、中負荷運転時においては給気量が減少するが、これを補うスワールの強化等の手段が無く、従って、これに伴い排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）の増加を招く。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、１シリンダに付き２個の給気ポートを備えた排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンにおいて、エンジンの低、中負荷運転時に、ＥＧＲ量を調整して燃焼室内のＮＯｘ低減を図るとともに、給気のスワールを強化して、排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）の増加を防止したエンジンの給気装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するもので、燃焼室に連通される給気ポート及び該給気ポートを開閉する給気弁を備え、エンジンの排気ガス通路中の排気ガスの一部を前記給気ポートに還流するＥＧＲ通路及び該ＥＧＲ通路の通路面積を調整するＥＧＲ弁を設けたエンジンの給気装置において、各シリンダに設けられた前記給気ポートは燃焼室内に高スワールを生成する高スワール給気ポートと低スワールを生成する低スワール給気ポートとの２個の給気ポートから構成され、前記高スワール吸気ポート及び前記低スワール吸気ポートは単一の吸気マニホールドを通して互いに連通しており、前記ＥＧＲ通路を前記吸気マニホールドに連通されている吸気ポートのうち前記低スワール給気ポートの各々のみに接続してＥＧＲ接続通路を構成し、前記低スワール給気ポートのＥＧＲ接続通路との合流点よりも上流側に、該給気ポートの給気量を調整するとともに開度調整機能を有する絞り弁を前記低スワール吸気ポートの各々に設け、該絞り弁の開度調整と前記ＥＧＲ弁の開度調整を行う弁制御装置を設け、該弁制御装置によってＥＧＲガス量および燃焼室内のスワール流の強さが制御されることを特徴とする（請求項１）。

そして、前記弁制御装置は、エンジンの一定負荷以下の負荷で、前記絞り弁を備えた低スワール給気ポートに、前記ＥＧＲ弁を一定開度以上に設定して前記ＥＧＲ接続通路を介してＥＧＲガスを供給するとともに、前記絞り弁を一定開度に保持して給気を供給することによりＥＧＲガス供給運転を行わせ、前記絞り弁を備えない高スワール給気ポートの流量を該絞り弁を備えた低スワール給気ポート側からの流量分を導入することにより、増加してスワール流速を上昇せしめるように制御する（請求項２）。

また、前記弁制御装置は、さらに次のように構成するのが好ましい。
（１）エンジン負荷の減少に応じて、前記ＥＧＲ弁を開く共に、前記絞り弁の開度を絞るようにして前記絞り弁を備えない高スワール給気ポートのスワール流速を上昇せしめるように構成する（請求項３）。
（２）エンジン負荷の増大に応じて、前記ＥＧＲ弁を絞ると共に、前記絞り弁の開度を増大するように構成する（請求項４）。
（３）前記各絞り弁にそれぞれ個別に接続され各絞り弁の流量を個別に制御可能に構成する（請求項６）。そして、各気筒の排気マニホールドもしくは排気ポートに空燃比センサを設置し、該空燃比センサからの信号に基づいて空燃比の気筒間のばらつきを小さくするように、前記各絞り弁の流量を個別に制御可能するとよい（請求項７）。

また、高スワール給気ポートは流線がシリンダ中心と給気弁中心とを結ぶ直線に直角方向となるように形成されている（請求項５）。

本発明によれば、各シリンダの２個の給気ポート中の１個の低スワール給気ポートのみに接続してＥＧＲ接続通路を構成し、前記１個の給気ポートのＥＧＲ接続通路との合流点よりも上流側に、該給気ポートの給気量を調整するとともに開度調整機能を有する絞り弁を設けるとともに弁制御装置を設け、前記弁制御装置によって、ＥＧＲガス量および燃焼室内のスワール流の強さが制御される。

この弁制御装置は、エンジンの一定負荷以下の負荷で、前記絞り弁を備えた低スワール給気ポートに、前記ＥＧＲ弁を一定開度以上に設定して前記ＥＧＲ接続通路を介してＥＧＲガスを供給するとともに、前記絞り弁を一定開度に保持して給気を供給することによりＥＧＲガス供給運転を行わせ、前記絞り弁を備えない高スワール給気ポートの流量を、該絞り弁を備えた低スワール給気ポート側からの流量分を導入することにより増加してスワール流速を上昇せしめるように制御する。

このため、エンジンの一定負荷以下の低、中負荷において、ＥＧＲ弁を一定開度以上に設定してＥＧＲ接続通路を介してＥＧＲガスを供給するとともに、かかる絞り弁を一定開度に保持して給気を供給するＥＧＲガス供給運転時には、低スワール給気ポート側の流量分を互いに連通している該絞り弁を備えない高スワール給気ポート側に導入することにより、スワール流速を上昇せしめることができる。

従って、エンジンの低、中負荷において、絞り弁によって一定開度に保持し且つＥＧＲ弁を一定開度以上に設定してＥＧＲガス供給運転を行いＥＧＲ混合比を上昇させることにより、ＥＧＲ量を調整して燃焼室内のＮＯｘ低減を図ることができるとともに、前記ＥＧＲガス供給運転により絞られている絞り弁を備えた低スワール給気ポート側の流量分を、互いに連通している該絞り弁を備えない高スワール給気ポート側に導入することにより、スワール流速を上昇せしめことができることにより、ＥＧＲガス供給運転時に給気系におけるスワール流速を高く保持でき、給気の圧力損失の増加がなく高いスワール流速を保持できて、エンジン出力の上昇を可能とするとともに、排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）の増加を防止するエンジンの給気装置を提供することが可能となる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の実施例に係る排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンの装置の構成を概略平面図、図２は前記ディーゼルエンジンのシリンダ配置を示す概略平面図（図３のＺ矢視図）、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４はＥＧＲ弁及び絞り弁の開度調整の説明図である。
図１において、ディーゼルエンジン（以下エンジンという）１００は３シリンダの４サイクルディーゼルエンジンであり、符号１で示されるシリンダには、１シリンダに付き２個の給気ポート３ａ，３ｂと２個の排気ポート４ａ，４ｂが接続されている。
エンジン１００の燃焼後の排気ガスは、各シリンダの２個の排気ポート４ａ，４ｂから排気マニホールド１１に集合し、排気管１１Ｓを通り、排気ターボ過給機２の排気タービン２ａに送りこまれて該排気タービン２ａを駆動する。
一方、排気タービン２ａに同軸駆動されるコンプレッサ２ｂのよって圧縮された空気は、給気管７を通って給気マニホールド５に入る。

図２〜３において、各シリンダ１は、給気マニホールド５を通して互いに連通する給気ポート３ａ，３ｂ及び該給気ポート３ａ，３ｂを開閉する給気弁１２ａ，１２ｂを１シリンダにつき２個備えた所謂２弁式の給気弁１２ａ，１２ｂを備えている。給気ポート３ａは、燃焼室１７内に高スワールを生成する高スワール給気ポートであり、給気ポート３ｂは燃焼室１７内に低スワールを生成する低スワール給気ポートである。
また、排気マニホールド１１を通して互いに連通する排気ポート４ａ，４ｂ及び該排気ポート４ａ，４ｂを開閉する排気弁（図示省略）を１シリンダにつき２個備えている。
１４はエンジン１００の燃焼室１７に燃料を噴射する燃料噴射弁、１５はシリンダヘッド、１８はピストン、１６はシリンダライナである。

図１において、前記排気ターボ過給機２の排気タービン２ａ入口の排気管１１Ｓから分岐したＥＧＲ管８０を設けている。該ＥＧＲ管８０は、該ＥＧＲ管８０の開度を制御するＥＧＲ弁２０が設置されている。
また、前記ＥＧＲ管８０は、前記給気ポート中の１個の給気ポート３ｂのみに接続されるＥＧＲ接続通路８ａ，８ｂ，８ｃにそれぞれ連結している。さらに、前記１個の給気ポート３ｂのＥＧＲ接続通路８ａ，８ｂ，８ｃとの合流点よりも上流側に、該給気ポート３ｂの給気量を調整するとともに開度調整機能を有する電磁式の絞り弁６をそれぞれ設けている。

そして絞り弁６を備えない給気ポート３ａは、図３に示すように、給気ポート３ｃの部分から該給気ポート３ａへと変化する過程で、給気ポート３ａからの給気スワールＳが燃焼室１７において最大になるように、図２に示す平面図における給気ポート３ａの傾斜角が角度αに設置されている。
すなわち、吸入空気の流線がシリンダ中心らＯと吸気弁中心Ｐとを結ぶ直線と直角方向（β＝９０度）になるように形成されている。

符号９はエンジン負荷を検出する負荷検出器、符号２１はエンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器である。符号８は弁制御装置であり、該弁制御装置８には前記負荷検出器９からエンジン負荷の検出値が、エンジン回転数検出器２１からエンジン回転数の検出値がそれぞれ入力されている。該弁制御装置８は、前記エンジン負荷の検出値（またはエンジン回転数の検出値）に基づき、前記絞り弁６の開閉時期及び開度を算出して該絞り弁６の開閉時期及び開度を制御するとともに、前記ＥＧＲ弁２０の開閉時期及び開度を算出して該ＥＧＲ弁２０の開閉時期及び開度を制御する。

前記弁制御装置８は、前記負荷検出器９からのエンジン負荷の検出値が予め設定された基準負荷以下の場合（またはエンジン回転数の検出値が基準回転数以下の場合）には、前記ＥＧＲ弁２０の開度を一定開度以上に設定して、前記ＥＧＲ管８０及びＥＧＲ接続通路８ａ，８ｂ，８ｃを介して、低スワール給気ポートの給気ポート３ｂにＥＧＲガスを供給する。
それとともに、前記弁制御装置８は、前記各絞り弁６を予め設定された一定開度に保持して給気を供給することにより、前記給気を前記ＥＧＲガスと混合ガスして、この混合ガスを燃焼室１７内に供給してＥＧＲガス供給運転を行わせる。

そして、前記弁制御装置８は、前記基準負荷以下の場合において、前記絞り弁６を備えない高スワール給気ポートである給気ポート３ａの流量を該給気ポート３ａと互いに連通している絞り弁６を備えた低スワール給気ポートである給気ポート３ｂ側からの流量分を導入することにより、流量を増加してスワールＳの流速を上昇せしめるように制御する。
即ち、前記弁制御装置８は、前記基準負荷以下の場合、つまり前記エンジンの低、中負荷においては、前記絞り弁６を備えた給気ポート３ｂに、前記ＥＧＲ弁２０を一定開度以上に設定して前記ＥＧＲ接続通路８ａ，８ｂ，８ｃを介してＥＧＲガスを供給するとともに、前記絞り弁６を一定開度に保持して前記給気を前記ＥＧＲガスと混合ガスとして燃焼室１７内に供給することによりＥＧＲガス供給運転を行わせる。

それとともに、この絞り弁６を一定開度に保持して給気を供給するＥＧＲガス供給運転時には、互いに連通する２個の給気ポートの中の前記ＥＧＲガス供給運転により絞られている絞り弁６を備えた給気ポート３ｂ側の流量分を互いに連通している該絞り弁６を備えない給気ポート３ａ側に導入することにより流量を増加して、該給気ポート３ａ側のスワールＳの流速を上昇せしめることができる。

従って、エンジンの低、中負荷においては、絞り弁６によって一定開度に給気を保持し且つＥＧＲ弁２０を一定開度以上に設定してＥＧＲガス供給運転を行いＥＧＲ混合比を上昇させることにより、ＥＧＲ量を調整して燃焼室１７内のＮＯｘ低減を図ることができるとともに、前記ＥＧＲガス供給運転により絞られている絞り弁６を備えた給気ポート３ｂ側の流量分を、互いに連通している該絞り弁を備えない給気ポート３ａ側に導入して流量を増加することにより、スワールＳ流速を上昇せしめことができるために、給気系におけるスワールＳ流速を高く保持できて、ＥＧＲガス供給運転時においても、ＰＭ（パティキュレートマター）の増大を防ぐことができる。

また、図４に示すように、前記弁制御装置８は、前記エンジン１００の一定負荷以下の負荷において、前記ＥＧＲ弁２０及び絞り弁６の開度調整により、前記ＥＧＲガス供給運転において、前記絞り弁６の絞りを連続的に増加する（絞り弁開度を小にする）に従い、前記絞り弁６を備えた給気ポート３ｂ側の流量分が減少し、絞り弁６を備えない給気ポート３ａのスワールＳの流速を、連続的に上昇せしめるように構成することもできる。
即ち、絞り弁６の開度を連続的に小さくして絞りを増加させて、給気ポート３ａのスワールＳの流速を増加さるとともに、ＥＧＲ弁２０の開度を連続的に増大させるようにして、ＥＧＲガス流量を増大するように制御できる。このようにＥＧＲガス量の増大とスワールＳの流速とを関連づけて連続制御可能になり、低、中負荷におけるＮＯｘ低減とＰＭ（パティキュレートマター）の増大防止とを安定的に得ることができる。

また、図１に示すように、気筒毎の絞り弁６に接続された弁制御装置８は、気筒毎の排気マニホールドもしくは排気ポートに設置された空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）３０からの信号に基づいて、排気ガス空燃比（Ａ／Ｆ）の気筒間のばらつきを小さくするように、各絞り弁６の流量を個別に制御するように構成することもできる。

一方、前記エンジンの基準負荷を超える負荷、つまり高負荷においては、前記ＥＧＲ弁２０の開度を全閉に設定して、前記ＥＧＲ管８０を通るＥＧＲガスを止めるとともに、前記弁制御装置８は、前記各絞り弁６を全開にする。
これにより、前記２つの給気ポート３ａ，３ｂには排気ガスは還流せず、吸入空気量が増大して燃費率が改善される。

本発明によれば、１シリンダに付き２個の給気ポートを備えた排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンにおいて、エンジンの低、中負荷運転時に、ＥＧＲ量を調整して燃焼室内のＮＯｘ低減を図るとともに、給気のスワールを強化して排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）の増加を防止できるので、エンジンの給気装置への適用に際して有益である。

本発明の実施例に係る排気ターボ過給機付き４サイクルディーゼルエンジンの装置の構成を概略平面図である。 前記ディーゼルエンジンのシリンダ配置を示す概略平面図(図３のＺ矢視図)である。 前記実施例における図２のＡ−Ａ線断面図である。 ＥＧＲ弁及び絞り弁の開度調整の説明図である。 従来技術を示す図１対応図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ 排気ターボ過給機
３ａ 給気ポート（高スワール給気ポート）
３ｂ 給気ポート（低スワール給気ポート）
４ａ，４ｂ 排気ポート
５ 給気マニホールド
６ 絞り弁
８ 弁制御装置
８ａ，８ｂ，８ｃ ＥＧＲ接続通路
９ 負荷検出器
１１ 排気マニホールド
１２ａ，１２ｂ 給気弁
１４ 燃料噴射弁
１７ 燃焼室
１８ ピストン
２０ ＥＧＲ弁
２１ エンジン回転数検出器
８０ ＥＧＲ管
１００ エンジン（４サイクルディーゼルエンジン）

Claims (7)

1. 燃焼室に連通される給気ポート及び該給気ポートを開閉する給気弁を備え、エンジンの排気ガス通路中の排気ガスの一部を前記給気ポートに還流するＥＧＲ通路及び該ＥＧＲ通路の通路面積を調整するＥＧＲ弁を設けたエンジンの給気装置において、
   各シリンダに設けられた前記給気ポートは燃焼室内に高スワールを生成する高スワール給気ポートと低スワールを生成する低スワール給気ポートとの２個の給気ポートから構成され、前記高スワール吸気ポート及び前記低スワール吸気ポートは単一の吸気マニホールドを通して互いに連通しており、前記ＥＧＲ通路を前記吸気マニホールドに連通されている吸気ポートのうち前記低スワール給気ポートの各々のみに接続してＥＧＲ接続通路を構成し、前記低スワール給気ポートのＥＧＲ接続通路との合流点よりも上流側に、該給気ポートの給気量を調整するとともに開度調整機能を有する絞り弁を前記低スワール吸気ポートの各々に設け、該絞り弁の開度調整と前記ＥＧＲ弁の開度調整を行う弁制御装置を設け、該弁制御装置によってＥＧＲガス量および燃焼室内のスワール流の強さが制御されることを特徴とするエンジンの給気装置。
2. 前記弁制御装置は、エンジンの一定負荷以下の負荷で、前記絞り弁を備えた低スワール給気ポートに、前記ＥＧＲ弁を一定開度以上に設定して前記ＥＧＲ接続通路を介してＥＧＲガスを供給するとともに、前記絞り弁を一定開度に保持して給気を供給することによりＥＧＲガス供給運転を行わせ、前記絞り弁を備えない高スワール給気ポートの流量を該絞り弁を備えた低スワール給気ポート側からの流量分を導入することにより、増加してスワール流速を上昇せしめるように制御することを特徴とする請求項１記載のエンジンの給気装置。
3. 前記弁制御装置は、エンジン負荷の減少に応じて、前記ＥＧＲ弁を開く共に、前記絞り弁の開度を絞るようにして前記絞り弁を備えない高スワール給気ポートのスワール流速を上昇せしめるように構成したことを特徴とする請求項２記載のエンジンの給気装置。
4. 前記弁制御装置は、エンジン負荷の増大に応じて、前記ＥＧＲ弁を絞ると共に、前記絞り弁の開度を増大するように構成したことを特徴とする請求項２記載のエンジンの給気装置。
5. 前記高スワール給気ポートは流線がシリンダ中心と給気弁中心とを結ぶ直線に直角方向となるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンジンの給気装置。
6. 前記弁制御装置は、前記各絞り弁にそれぞれ個別に接続され各絞り弁の流量を個別に制御可能に構成したことを特徴とする請求項１記載のエンジンの給気装置。
7. 各気筒の排気マニホールドもしくは排気ポートに空燃比センサを設置し、該空燃比センサからの信号に基づいて気筒間の空燃比のばらつきを小さくするように、前記各絞り弁の流量を個別に制御可能に構成したことを特徴とする請求項６記載のエンジンの給気装置。

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