JP5447692B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関の吸気装置に関する。特に、吸気弁の開弁位相を可変とする吸気装置に関する。
2つの吸気弁を備えた内燃機関において、各吸気弁の開弁期間を異なるようにして各吸気ポート間に流量差を生み出すことにより、内燃機関の筒内に発生するスワール流を強化することが行われている。
このような内燃機関を改良した構成が特許文献1から4に開示されている。特許文献1では、要求されるスワールを得るために一方の吸気弁のみを早く閉じる制御と、両方の吸気弁を早く開く制御と、を組み合わせて制御する内燃機関の制御装置が開示されている。特許文献2では、一方の吸気弁のリフト特性の中心位相に対して、他方の吸気弁のリフト特性の中心位相を変更するとともに、2つの吸気弁のリフト量を変更するエンジンの動弁機構が開示されている。特許文献3では、タンジェンシャルポートに配置された吸気弁が閉じる前に、ヘリカルポートに配置された吸気弁を閉じる制御によりスワールを生成する内燃機関が開示されている。特許文献4では、カムシャフトの位相を変化して一方の吸気弁に対し、他方の吸気弁の位相を制御する可変動弁装置が開示されている。さらに、特許文献5では、2つの吸気弁の開弁位相を独立して制御する構成を示した液圧駆動装置が開示されている。
ところで、内燃機関の吸気弁の閉弁時期を遅角させることにより、有効圧縮比を低下して燃効率を向上することができる。このような有効圧縮比を低下する内燃機関へ筒内のスワール流を制御する技術を組み合わせることにより、より優れた性能の内燃機関を得ることができる。
しかしながら、有効圧縮比を低下する内燃機関は、吸気弁の閉弁時期を遅角させるため、筒内に取り込んだガスを吸気ポートへ吹き戻してしまう。このため、燃焼室内のガス量が減少する。燃焼室内のガス量の減少は、NOxやスモークの低減を妨げるため、排気エミッションの悪化を抑制する効果が低下してしまう。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、有効圧縮比を低下するエンジンにおいてNOxやスモークの低減を図り、熱効率を向上するとともにエミッションの悪化を抑制する内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。
かかる課題を解決する本発明の内燃機関の吸気装置は、燃焼室に吸気を導く第1吸気ポートに設けられた第1吸気弁と、前記燃焼室に吸気を導く第2吸気ポートに設けられた第2吸気弁と、前記第2吸気弁の開弁期間の位相を変更する可変動弁機構と、を備え、前記可変動弁機構は、前記第2吸気弁の閉弁時期を、下死点経過後かつ前記第1吸気弁の閉弁後とし、筒内に取り込まれた新気を吹返すとともに、前記第2吸気弁のリフト量を前記第1吸気弁のリフト量よりも小さくすることを特徴とする。
本発明の内燃機関の吸気装置は、有効圧縮比を低下し、熱効率を向上するとともに、NOxやスモークの低減を図り、エミッションの悪化を抑制することができる。
以下、本発明を実施するための一形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明の実施例1における内燃機関1の吸気装置2の構成について説明する。図1は内燃機関1の吸気装置2の全体構成図である。内燃機関1は圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)である。内燃機関1はエンジン本体50を備えている。吸気装置2はエンジン本体50内の吸気に関わる構成と、内燃機関1の各種制御を行うECU(Electronic Control Unit)3とを備えている。エンジン本体50内の吸気に関わる構成とは、具体的に吸気ポート、吸気弁、吸気弁の開閉動作を行う動弁機構、その他エンジン本体50における燃料の燃焼に必要な新気を取り込む構成を示す。図2はエンジン本体50の概略構成図である。図3は吸気ポートの構成図である。
図1に示すように、吸気系10はエアフロメータ11と、インタークーラ12と、インテークマニホールド13とを備えている。エアフロメータ11は吸入空気量を計測する。インタークーラ12は過給機30が圧縮した吸気を冷却する。インテークマニホールド13は内燃機関1の各気筒51aに吸気を分配する。
排気系20は、エキゾーストマニホールド21と触媒22とを備えている。エキゾーストマニホールド21は各気筒51aからの排気を下流側で一つの排気通路に合流させる。触媒22は排気を浄化する。過給機30はコンプレッサ部31とタービン部32とを備えている。過給機30は排気駆動式の可変容量型ターボチャージャであり、コンプレッサ部31が吸気系10に、タービン部32が排気系20にそれぞれ介在するようにして設けられている。
図2に示すように、エンジン本体50はシリンダブロック51と、シリンダヘッド52と、ピストン53と、第1吸気弁54a、第2吸気弁54bと、排気弁55と、燃料噴射弁56と、可変動弁機構57とを備えている。
シリンダブロック51には気筒51aが形成されている。気筒51a内にはピストン53が収容されている。シリンダブロック51の上面にはシリンダヘッド52が固定されている。燃焼室58はシリンダブロック51、シリンダヘッド52及びピストン53に囲まれた空間として形成されている。
シリンダヘッド52には第1吸気ポート52a、第2吸気ポート52bと2つの排気ポート52cが形成されている。第1吸気ポート52a、第2吸気ポート52bは燃焼室58に吸気を導き、排気ポート52cは燃焼室58からガスを排出する。第1吸気ポート52aに第1吸気弁54aが設けられている。第1吸気弁54aは第1吸気ポート52aを開閉する。第2吸気ポート52bに第2吸気弁54bが設けられている。第2吸気弁54bは第2吸気ポート52bを開閉する。排気ポート52cに排気弁55が設けられている。排気弁55は排気ポート52cを開閉する。
ここで、図3を参照して、第1吸気ポート52a、第2吸気ポート52bの詳細を説明する。第1吸気ポート52aは燃焼室58の気筒壁面に沿うように吸気を導く形状に形成されている。燃焼室58の気筒壁面に沿うように吸気を導く形状の一例として、タンジェンシャルポートがある。第1吸気ポート52aは、気筒壁面に沿うように吸気を導くため、燃焼室58内にスワール流f1を生成する。さらに、第1吸気ポート52aを流れる流量が多くなるほど、燃焼室58内に生成するスワール流の強度が高まる。また、第2吸気ポート52bは螺旋状に形成されている。螺旋状に形成された吸気ポートの一例としてヘリカルポートがある。第2吸気ポート52bは燃焼室58の中央へ旋回流f2を導く。第2吸気ポート52bは螺旋状に形成されているため、第1吸気ポート52aと比較して流量係数が小さい。
また、シリンダヘッド52には燃料噴射弁56が設けられている。燃料噴射弁56は筒内に直接燃料を噴射する。シリンダヘッド52には可変動弁機構57が設けられている。可変動弁機構57は、第1吸気弁54a、第2吸気弁54bを互いに独立して開弁する動弁機構である。
ECU3は電子制御装置であり、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等からなるマイクロコンピュータや入出力回路を備えている。ECU3にはエンジン本体50に備えられた各種のセンサ・スイッチ類が電気的に接続されている。また過給機30や、燃料噴射弁56や、可変動弁機構57などの各種の制御対象が電気的に接続されている。
ECU3による吸気弁の開閉制御は、第1吸気弁54aのバルブタイミングを固定しつつ、第2吸気弁54bの開弁時期および閉弁時期を一体的に変更することで、第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)を制御する。そしてこれにより、第2吸気弁54bの閉弁時期を第1吸気弁54aの閉弁時期よりも遅角させる。ECU3は第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)を決定し、可変動弁機構57へ吸気弁の操作に関する信号を送信する。これにより、可変動弁機構57は、第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)の位相を変更する。可変動弁機構57は、第2吸気弁54bのカムの位相を変更することにより、第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)を変更する。一方、可変動弁機構57は、第1吸気弁54aの開弁期間(作用角)を変更しない。
ここで、吸気弁の閉弁時期を遅角させることにより有効圧縮比を低下する内燃機関について説明する。このような内燃機関は吸気弁の閉弁時期を遅角させるため、筒内に取り込んだガスを吸気ポートへ吹き戻してしまう。この点について、図4〜6を参照しながら説明する。
図4、図5は吸気弁のバルブタイミングを示した説明図である。図4は通常運転時のバルブタイミング(IVC30ABDC)を示し、図5は吸気弁を遅く閉じるバルブタイミング(IVC50ABDC)を示している。吸気弁を遅く閉じるバルブタイミング(IVC50ABDC)は有効圧縮比の低下を目的に行われる。図6は図4、図5のバルブタイミングについて、エンジン回転数が2600rpmの場合における、筒内ガス量Mc(g/sec)と過給圧Pim(kPa)との関係を示した説明図である。図6中の縦軸は筒内ガス量Mcを示し、横軸は過給圧Pimを示している。図6中の実線は通常運転時のバルブタイミング(IVC30ABDC)の場合を示し、破線は吸気弁を遅く閉じるバルブタイミング(IVC50ABDC)を示している。図6によると、吸気弁を遅く閉じるバルブタイミングの場合、筒内の圧力が高くなる領域で、通常運転時のバルブタイミングの場合と比較して筒内ガス量が減少する。これは、下死点以降の吸気弁が開弁する期間が長く、シリンダ内に取り込んだガスが吸気ポートへと抜ける吹返しが生じるためである。このような燃焼室内のガス量の減少は、NOxやスモークの低減を妨げるため、排気エミッションの悪化を抑制する効果が低下してしまう。本実施例の内燃機関1の吸気装置2は、上記のガスの吹抜けを考慮したうえで、有効圧縮比を低下して熱効率を向上するとともに、エミッションの悪化を抑制する。以下、有効圧縮比を低下しつつ、エミッションの悪化を抑制することを実現するためのバルブタイミング及びバルブのリフト量について説明する。
図7は第1吸気弁54aと第2吸気弁54bのバルブタイミングを示した説明図である。図7中の縦軸がバルブリフト量を示し、横軸がクランク角を示している。図7中の実線は、第1吸気弁54aのバルブタイミングを示している。図7中の破線、及び点線は第2吸気弁54bのバルブタイミングを示している。また、可変動弁機構57は、第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)の位相を変化することができるため、破線で示す場合の他に、点線で示すようなバルブタイミングを設定することができる。
図7に示すように、第2吸気弁54bの最大リフト量は、第1吸気弁54aの最大リフト量よりも小さく設定されている。また、第1吸気弁54aの開弁期間(作用角)が第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)よりも大きい。第1吸気弁54aは上死点近傍で開弁する。さらに、図7中の破線で示したように、第2吸気弁54bのバルブリフトは、第2吸気弁54bの閉弁時期が下死点経過後かつ第1吸気弁54aの閉弁後に設定される。
第2吸気弁54bの閉弁時期が下死点経過後かつ第1吸気弁54aの閉弁後である場合(図7中の破線で示すバルブタイミングの場合)、以下の特徴がある。まず、吸気開始時(0〜40°ATDC程度)に第1吸気弁54aのみが開弁するため、燃焼室58内にスワール流が形成される。
さらに、第1吸気弁54aに比べて第2吸気弁54bのリフト量が小さい。また、第2吸気弁54bが第1吸気弁54aに遅れて開弁する。このため、吸気行程の半ば(40〜150°ATDC程度)まで第1吸気弁54aのリフト量が大きく、燃焼室58内に取り込まれる新気の量は第1吸気ポート52aの方が第2吸気ポート52bに比べて多い。このため、燃焼室58内に取り込まれる新気に偏りが生じる。これにより、第1吸気弁54aが流量によって生み出すスワール流がさらに強化される。
そして、下死点経過後の一定期間(180〜240°ATDC程度)は、吸気慣性効果により新気が取り込まれる。下死点経過後かつ第1吸気弁54aの閉弁後(240〜260°ATDC程度)は、第2吸気弁54bが開弁しているため、燃焼室58内に取り込まれた新気が第2吸気ポート52bへ吹返す。このときの吹返し量について、第2吸気弁54bのリフト量との関係とともに説明する。
図8は第1吸気弁54aと第2吸気弁54bとの閉弁時のリフト量を比較した説明図である。図8中の縦軸がバルブリフト量を示し、横軸がクランク角を示している。図8中の実線は、第1吸気弁54aのバルブリフト量を示している。図8中の破線は第2吸気弁54bのバルブリフト量を示している。図8が示す第1吸気弁54aと第2吸気弁54bのバルブタイミングは、比較のため、閉弁時期を同一としている(205°ATDC)。第2吸気弁54bのリフト量を第1吸気弁54aのリフト量よりも小さく設定したことにより、同じクランク角度において、第2吸気弁54bのリフト量は、第1吸気弁54aのリフト量よりも小さい(L1>L2)。このため、第2吸気ポート52bにおけるガスの流路は小さく、流量係数が小さい。また、第2吸気ポート52bは流路が螺旋状であるため、流量係数が小さい。従って、筒内に取り込まれた新気の吹返し量が減少する。吹返し量が減少するため、燃焼室58内の新気量が多くなる。これにより、スモークが低減されて排気エミッションを抑制できる。
また、開弁期間(作用角)を固定した第1吸気弁54aのリフト量が大きいため、ガス交換率が良く、体積効率が高い。また、第1吸気弁54aの開弁期間(作用角)が第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)より大きいことにより、筒内に取り込むガス量をさらに増加できる。これにより、体積効率の向上ができる。また、筒内ガス量が確保されてエミッションの低下を抑制できる。
本実施例の内燃機関1の吸気装置2は、第1吸気弁54aと第2吸気弁54bとのリフト量に差を設けて、流量差を生み出し、筒内にスワール流を生成する。このため、良好な燃焼状態を生み出して排気エミッションの悪化を抑制できる。また、リフト量の大きい第1吸気弁54aを設けた第1吸気ポート52aにより吸気量が確保できるため、体積効率を向上する。また、第2吸気弁54bの閉弁時期を下死点以降として有効圧縮比を低下する。これにより、熱効率が向上するので燃費を改善することができる。さらに、閉弁時期が下死点以降の第2吸気弁のリフト量が小さいので、吸気ポートへ吹き抜けるガス量が低下し、筒内のガス量が維持される。これにより、エミッションの悪化を抑制できる。このように、本実施例の内燃機関1の吸気装置2は、筒内ガス流動の増加、体積効率の向上、および有効圧縮比の低減を実現する。この結果、効率の向上と排気エミッションの抑制を両立することができる。
また、内燃機関1をディーゼルエンジンとすることにより、高効率かつ排気エミッションを低下したディーゼルエンジンを提供できる。ディーゼルエンジン特有の圧縮上死点前後でのスワール発生による燃焼改善、及び内部EGRの増加、制御改良により性能向上ができる。
次に、実施例2の内燃機関の吸気装置について説明する。本実施例の内燃機関の吸気装置の構成は、実施例1の内燃機関1の吸気装置2の構成と同一である。本実施例は、第1吸気弁の開弁時期が異なる点で実施例1と異なる。なお、本実施例の説明において、構成が同一である実施例1の内燃機関1の吸気装置2に付した番号を用いて説明する。
図9は本実施例の第1吸気弁54aと第2吸気弁54bのバルブタイミングを示した説明図である。図9中の縦軸がバルブリフト量を示し、横軸がクランク角を示している。図9中の実線は、第1吸気弁54aのバルブタイミングを示している。図9中の破線は第2吸気弁54bのバルブタイミングを示している。図9中の点線は排気弁55のバルブタイミングを示している。図9に示すように、本実施例において、第1吸気弁54aは排気弁55の閉弁前に開弁するとともに、第2吸気弁54bは排気弁55の閉弁後に開弁する。すなわち、第1吸気弁54aと排気弁55とはオーバーラップし、第2吸気弁54bと排気弁55とはオーバーラップしない。なお、実施例1と同様に、第1吸気弁54aのバルブリフトは固定であり、第2吸気弁54bの開弁期間(作用角)は可変である。また、エンジン本体50に2つ備えられた排気弁55は同時に開閉するように構成されている。
過給機30の搭載された内燃機関1では、加速初期にターボラグが発生することにより、排気圧が吸気圧より極度に大きくなる。このため、燃焼後のガスが吸気ポート側へ吹返る、いわゆる内部EGRが生じる。加速制御時に、第1吸気弁54aと排気弁55とがオーバーラップし、第2吸気弁54bと排気弁55とがオーバーラップしないバルブタイミングに設定することにより、EGRガスを第1吸気ポート52aへ送り、第2吸気ポート52bへ送らないようにできる。
第1吸気ポート52aは燃焼室58の気筒壁面に沿うように吸気を導く形状に構成されている。このため、吸気行程において新気とともにオーバーラップ期間に蓄積されたEGRガスが燃焼室58の気筒壁面側へと送られる。一方、第2吸気ポート52bは燃焼室58の中央側にEGRガスの含まれていない新気を供給する。これにより、燃焼室58内では、気筒壁面にEGRガスが分布し、中央部に新気が分布する。EGRガスは燃焼に寄与しないため、燃焼室58の壁面と筒内との間において熱の伝達を抑制し、断熱効果が得られる。反対に、第2吸気ポート52bから供給される新気が燃焼室58の中央に集まるため、燃焼時の混合気がリッチになることを抑制し、加速性能の悪化を抑制できる。このように、第1吸気ポート52aへEGRガスを送っても加速性能の悪化の原因とならないため、第1吸気弁54aの開弁時期を早め、開弁期間(作用角)を拡大した大作用角とすることができる。大作用角とすることにより、EGRガスの還元量を増加し、NOxの排出を低下できる。また、ピストン53の移動速度の速い上死点付近で第1吸気弁54aのリフト量を大きくできるため、新気の取り込み量を増加できる。これにより、体積効率を高くするとともに、スワール流の強化もできる。また、実施例1と同様に、第2吸気弁54bは吸気下死点以降に閉弁するため、有効圧縮比を低下できる。このように、トレードオフの関係にある体積効率の向上と、有効圧縮比の低下の両方を実現することができる。
なお、本実施例の構成において、第1吸気弁54aの開弁時期を早めることに対応して、ピストン53のヘッド部に形成するリセスの大きさを大きくしても良い。これにより、吸気弁のピストンへのスタンプを防止できる。
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
1 内燃機関
2 吸気装置
3 ECU
50 エンジン本体
52a 第1吸気ポート
52b 第2吸気ポート
52c 排気ポート
54a 第1吸気弁
54b 第2吸気弁
55 排気弁
57 可変動弁機構
58 燃焼室
2 吸気装置
3 ECU
50 エンジン本体
52a 第1吸気ポート
52b 第2吸気ポート
52c 排気ポート
54a 第1吸気弁
54b 第2吸気弁
55 排気弁
57 可変動弁機構
58 燃焼室
Claims (6)
- 燃焼室に吸気を導く第1吸気ポートに設けられた第1吸気弁と、
前記燃焼室に吸気を導く第2吸気ポートに設けられた第2吸気弁と、
前記第2吸気弁の開弁期間の位相を変更する可変動弁機構と、
を備え、
前記可変動弁機構は、前記第2吸気弁の閉弁時期を、下死点経過後かつ前記第1吸気弁の閉弁後とし、筒内に取り込まれた新気を吹返すとともに、
前記第2吸気弁のリフト量を前記第1吸気弁のリフト量よりも小さくすることを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 前記第1吸気弁の作用角が前記第2吸気弁の作用角よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の吸気装置。
- 前記第1吸気ポートが、前記燃焼室の気筒壁面に沿うように吸気を導く形状であることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の吸気装置。
- 前記第1吸気弁が排気弁の閉弁前に開弁するとともに、前記第2吸気弁が前記排気弁の閉弁後に開弁することを特徴とした請求項3記載の内燃機関の吸気装置。
- 前記第2吸気ポートが、螺旋状に形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載の内燃機関の吸気装置。
- 前記内燃機関をディーゼルエンジンとしたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項記載の内燃機関の吸気装置。
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