JP6013863B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、吸排気バルブのバルブタイミングを変更可能な内燃機関に関する。

従来、このような内燃機関に関する技術文献として、例えば下記の特許文献１が知られている。特許文献１には、車両に備えられるディーゼルエンジンであって、吸排気バルブのバルブタイミングをエンジン運転状態に応じて制御することで気筒内の実圧縮比を制御するものが開示されている。

特開２００２−５４４８９号公報

ところで、内燃機関の高出力化のために過給機を採用することが広く行われている。しかしながら、単純に過給機を採用すると、過給により気筒内の筒内最高圧力が増大し、内燃機関本体の機械的強度に悪影響を及ぼす場合がある。また、過給圧力が気筒の排気圧力より高くなるとＥＧＲが効かなくなり燃費が悪化するという問題があった。

そこで、本発明は、過給による筒内最高圧力の増大を抑えながらＥＧＲを有効にできる内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、複数の気筒を有する内燃機関であって、気筒の吸引空気の過給を行う過給機と、気筒の吸気バルブのバルブタイミングを制御する吸気バルブ制御手段と、気筒の排気ガスを吸気側に再循環させるためのＥＧＲ通路と、気筒の排気圧力が過給機の過給圧力より大きくなるように、気筒の排気圧力又は過給機の過給圧力を制御する圧力制御手段と、を備え、吸気バルブ制御手段は、過給機の過給を行わない場合と比べて、ミラーサイクルの圧縮行程で気筒内のガスの体積に対する気筒内の圧力が低くなり、ミラーサイクルの膨張行程で気筒内のガスの体積に対する気筒内の圧力が高くなり、圧縮行程から膨張行程にかけて過給機の過給による気筒の筒内最高圧力の増大を抑えるように、過給機の過給を行った場合における吸気バルブのバルブタイミングを制御することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関によれば、過給機による過給を行いつつ、吸気バルブのバルブタイミングの制御によって気筒の筒内最高圧力の増大を抑制するので、過給による高出力化を図りながら、筒内最高圧力の増大による内燃機関本体の機械的強度への影響を抑えることができる。また、この内燃機関によれば、過給圧力と気筒の排気圧力との差圧がなくなるとＥＧＲが効かなくなることから、圧力制御手段によって排気圧力が過給圧力を上回るように制御することで、ＥＧＲを有効にすることができる。従って、この内燃機関によれば、過給による高出力化を図りながら、筒内最高圧力の増大による内燃機関本体の機械的強度への影響を抑えて長寿命化を実現し、更にはＥＧＲの有効性を確保することで燃費向上を図ることができる。

本発明に係る内燃機関において、過給機は、可変ノズルターボチャージャーであり、圧力制御手段は、ミラーサイクルの排気行程で気筒の排気圧力が過給機の過給圧力より大きくなるように過給機のノズルを変化させてもよい。
この内燃機関によれば、可変ノズルターボチャージャーのノズルを変更して気筒の排気圧力が過給機の過給圧力より大きくすることで、過給による高出力化を図りながらＥＧＲを有効にすることができる。

本発明に係る内燃機関において、気筒の排気通路に設けられた排気ブレーキバルブを更に備え、圧力制御手段は、ミラーサイクルの排気行程で気筒の排気圧力が過給機の過給圧力より大きくなるように排気ブレーキバルブを制御してもよい。
この内燃機関によれば、排気ブレーキバルブを制御して気筒の排気圧力（排気通路内の圧力）を増大させることにより、気筒の排気圧力を過給機の過給圧力より十分に大きくすることで、過給による高出力化を図りながらＥＧＲを有効にすることができる。

本発明によれば、過給による筒内最高圧力の増大を抑えながらＥＧＲを有効にできる内燃機関を提供できる。

本実施形態に係るエンジンの構成を示す概略図である。 本実施形態のミラーサイクルを説明するlogＰ−logＶ線図である。 ＥＣＵによる制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す本実施形態のエンジン（内燃機関）１は、車両の動力源として使用され、複数の気筒２を有するディーゼルエンジンである。気筒２には、吸気バルブ３及び排気バルブ４が設けられている。このエンジン１は、いわゆるミラーサイクルエンジンであり、吸気バルブ３を下死点よりも早く又は遅く閉じることにより気筒２内の圧縮比を膨張比よりも小さく維持し、ノッキングの発生を抑えながら高い熱効率を得ることができる。

エンジン１は、二段過給システムを構成する低圧段ターボチャージャー（過給機）５及び高圧段ターボチャージャー（過給機）６と、ＥＧＲ通路７と、吸排気バルブ制御部（吸気バルブ制御手段）８と、排気ブレーキバルブ９と、ＥＣＵ（圧力制御手段）［Engine Control Unit］１０と、を備えている。

低圧段ターボチャージャー５は、吸気通路１１の入口側に配置された低圧段コンプレッサ５Ａと排気通路１２の出口側に配置された低圧段タービン５Ｂから構成される。低圧段ターボチャージャー５では、低圧段タービン５Ｂが排気ガスの排気エネルギーにより回転されることで、低圧段コンプレッサ５Ａが駆動して吸気通路１１内の空気圧縮すなわち過給が行われる。

高圧段ターボチャージャー６は、高圧段コンプレッサ６Ａ及び高圧段タービン６Ｂから構成される。高圧段コンプレッサ６Ａは吸気通路１１において低圧段コンプレッサ５Ａより下流に配置され、高圧段タービン６Ｂは排気通路１２において低圧段タービン５Ｂより上流に配置されている。

この高圧段ターボチャージャー６においても、高圧段タービン６Ｂが排気ガスの排気エネルギーにより回転されることで、高圧段コンプレッサ６Ａが駆動して吸気通路１１内の過給が行われる。

高圧段ターボチャージャー６は、低圧段ターボチャージャー５と比べて容量の小さいものが用いられる。言い換えると、低圧段ターボチャージャー５は、高圧段ターボチャージャー６と比べて容量の大きいものが用いられる。これは、高圧段ターボチャージャー６において排気エネルギーが一度回収され、膨張した排気ガスを低圧段ターボチャージャー５で扱うためである。

吸気通路１１を流れる空気は、低圧段コンプレッサ５Ａ、高圧段コンプレッサ６Ａの順に圧縮されてエンジン１本体の気筒２内に供給される。なお、吸気通路１１には、低圧段コンプレッサ５Ａによる圧縮で温度上昇した空気を冷却するためのインタークーラ１３と、高圧段コンプレッサ６Ａによる圧縮で温度上昇した空気を冷やすためのアフタークーラ１４が設けられている。インタークーラ１３については、必ずしも設ける必要はない。

低圧段ターボチャージャー５及び高圧段ターボチャージャー６は、可変ノズルターボチャージャーであり、タービン側に複数の可変ベーンを有している。低圧段ターボチャージャー５及び高圧段ターボチャージャー６は、複数の可変ベーンから構成される可変ノズルの開度を変えることで排気ガスの流量を制御し、過給効率を変更する。

ＥＧＲ通路７は、排気通路１２内の排気ガスの一部を吸気通路１１に戻すことで再循環させるための通路である。ＥＧＲ通路７の途中には、通過する排気ガスの流量を制御するためのＥＧＲバルブ１５と、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラー１６が設けられている。

ＥＧＲ通路７は、気筒２の下流側で排気ブレーキバルブ９の上流側の排気通路１２と、気筒２の上流側でアフタークーラ１４の下流側の吸気通路１１と、を接続しており、いわゆるハイプレッシャーＥＧＲシステムを構成している。なお、ＥＧＲ通路７の接続場所は上述した場所に限られない。

吸排気バルブ制御部８は、吸気バルブ３及び排気バルブ４のバルブタイミング及びリフト量を制御する。吸排気バルブ制御部８は、エンジン１の可変バルブ機構を駆動させることにより、吸気バルブ３及び排気バルブ４のバルブタイミング及びリフト量を変更する。可変バルブ機構の構成は特に限定されず、バルブタイミング及びリフト量を変更できるものであればよい。可変バルブ機構は、例えば油圧や電動モータ等によってカムシャフトの回転角位相を変更することでバルブタイミング等を変更する。

排気ブレーキバルブ９は、排気通路１２に設けられており、排気圧力を高めることでて制動力を発生させるためのバルブである。排気ブレーキバルブ９は、高圧段タービン６Ｂの手前（上流側）に配置されている。排気ブレーキバルブ９は、開度を小さくして排気通路１２の流量を制限することにより排気通路１２内の圧力を高め、エンジン１のポンピングロスを増大させることで制動力を発生させる。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]などからなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することでエンジン制御に関する処理が行われる。

ＥＣＵ１０は、低圧段ターボチャージャー５、高圧段ターボチャージャー６、吸排気バルブ制御部８、排気ブレーキバルブ９、及びＥＧＲバルブ１５と接続されている。また、ＥＣＵ１０は、過給圧センサ１７及び排気圧センサ１８と接続されている。

過給圧センサ１７は、高圧段コンプレッサ６Ａの直後（下流側）の吸気通路１１に設けられた圧力センサである。過給圧センサ１７は、二段過給後の吸引空気の圧力（過給圧力）Ｐｔを検出する。排気圧センサ１８は、気筒２と排気ブレーキバルブ９の間の排気通路１２に設けられ圧力センサである。排気圧センサ１８は、排気通路１２内の排気ガスの圧力（排気圧力）Ｐｅを検出する。

ＥＣＵ１０は、過給圧センサ１７の検出した過給圧力Ｐｔ及び排気圧センサ１８の検出した排気圧力Ｐｅに基づいて、低圧段ターボチャージャー５、高圧段ターボチャージャー６、吸排気バルブ制御部８、排気ブレーキバルブ９、及びＥＧＲバルブ１５を制御する。

ＥＣＵ１０は、過給による高出力化を図りつつも、気筒２の筒内最高圧力Ｐmaxの増大を抑え、且つ、ＥＧＲが有効となるように、吸気バルブ３のバルブタイミング制御及び圧力制御（過給圧力や排気圧力の制御）を行う。ＥＣＵ１０は、特許請求の範囲に記載の圧力制御手段として機能する。

ここで、図２は、本実施形態のミラーサイクルを説明するlogＰ−logＶ線図である。図２の縦軸は気筒２内の圧力Ｐの対数logＰを示し、横軸は気筒２内のガスの体積Ｖの対数logＶを示している。図２に、過給を行わない場合のlogＰ−logＶ線図（破線）と、過給及びバルブタイミング制御を行った場合のlogＰ−logＶ線図（実線）を示す。

まず、過給を行わない場合（破線）について説明する。図２に示されるように、気筒２では、空気を吸引する吸気行程（ｍ１）の後、ピストンにより空気を圧縮する圧縮行程（ｍ２）を経て気筒内の圧力Ｐが筒内最高圧力Ｐmaxとなる。その後、噴射燃料の燃焼により膨張行程（ｍ３）が行われ、排気ガスを排気する排気行程（ｍ４）を経て、再び吸気行程（ｍ１）に戻る。

次に、過給及びバルブタイミング制御を行った場合（実線）について説明する。この場合には、吸気行程（Ｍ１）において、ターボチャージャー５，６により過給圧力Ｐｔで吸引空気が気筒２内に供給され、続いて圧縮行程（Ｍ２）に入る。ここで、ＥＣＵ１０は、気筒２の筒内最高圧力Ｐmaxが過給を行わない場合（破線）と同等になるように、吸排気バルブ制御部８を制御する。吸排気バルブ制御部８は、過給による筒内最高圧力Ｐmaxの増大を抑えるように、吸気バルブ３の閉弁時期を早めるか又は遅らせる制御を行う。

その後、膨張行程（Ｍ３）を経て排気行程（Ｍ４）が行われる。ここで、ＥＣＵ１０は、過給圧センサ１７及び排気圧センサ１８の検出結果に基づいて、排気行程（Ｍ４）における排気ガスの排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きいか否かを判定する。なお、ＥＧＲを適切に効かせるためには、ある程度の差圧が必要なことを考慮して排気圧力Ｐｅから過給圧力Ｐｔを引いた差分が、所定値（正の所定値）以上であることを判定条件としてもよい。

ＥＣＵ１０は、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きくないと判定した場合（Ｐｅ≦Ｐｔの場合）、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きくなるように、過給圧力Ｐｔ又は排気圧力Ｐｅを制御する圧力制御を行う。その後、再び吸気行程（Ｍ１）へ戻る。

次に、図３を参照して、エンジン１のＥＣＵ１０による制御の流れについて説明する。図３は、ＥＣＵ１０による制御の流れを示すフローチャートである。

図３に示されるように、ＥＣＵ１０では、ステップＳ１として、過給圧センサ１７による過給圧力Ｐｔの検出及び排気圧センサ１８による排気圧力Ｐｅの検出が行われる。

次に、ステップＳ２として、ＥＣＵ１０は、検出した過給圧力Ｐｔに基づいて、吸排気バルブ制御部８に制御信号を送信する。吸排気バルブ制御部８は、ＥＣＵ１０からの制御信号に応じて吸気バルブ３のバルブタイミング制御を行う。バルブタイミング制御では、過給に起因する筒内最高圧力Ｐmaxの増大を抑えるように、吸気バルブ３の閉弁時期が変更される。

続いて、ステップＳ３として、ＥＣＵ１０は、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きいか否かを判定する。ＥＣＵ１０は、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きいと判定した場合（Ｐｅ＞Ｐｔの場合）、ＥＧＲは有効であると判断して処理を終了する。一方、ＥＣＵ１０は、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きくないと判定した場合（Ｐｅ≦Ｐｔの場合）、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲを有効にするための圧力制御を行う。ＥＣＵ１０は、圧力制御として、ターボチャージャー５，６及び排気ブレーキバルブ９を制御することにより、排気圧力Ｐｅを過給圧力Ｐｔより大きくする。

具体的には、ＥＣＵ１０は、ターボチャージャー５，６の可変ノズルの開度を変更することにより、排気ガスの流量制御による排気圧力Ｐｅの変化と、過給効率の変更による過給圧力Ｐｔの変化をコントロールして、排気圧力Ｐｅを過給圧力Ｐｔより大きくする。また、ＥＣＵ１０は、排気ブレーキバルブ９の開度を小さくすることにより、排気通路１２内の排気圧力Ｐｅを増大させる。このようにして、ＥＣＵ１０は、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより大きくなるように圧力を制御する。

なお、ＥＣＵ１０は、圧力制御として、常にターボチャージャー５，６及び排気ブレーキバルブ９の全てを制御する必要はない。ＥＣＵ１０は、ターボチャージャー５，６のみを用いて圧力制御を行ってもよく、排気ブレーキバルブ９のみを用いて圧力制御を行ってもよい。また、ＥＣＵ１０は、低圧段ターボチャージャー５及び高圧段ターボチャージャー６のうち何れか一方のみを用いて圧力制御してもよい。更に、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態や車両の走行状態等の条件に基づいて、圧力制御における制御対象や制御対象の個数を変更してもよい。

また、圧力制御では、ＥＧＲを十分に機能させるため、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔより所定圧力以上に大きくなるように制御してもよい。所定圧力には、ＥＧＲを機能させる十分な差圧を得るために適切な値が設定される。

圧力制御を実行してＥＧＲの有効性を確保した後、ＥＣＵ１０は、処理を終了して再びステップＳ１から繰り返す。なお、図３では、バルブタイミング制御と圧力制御を一つのフローで説明したが、これらの制御は独立した別々のフローとして実行してもよい。

以上説明した本実施形態に係るエンジン１によれば、ターボチャージャー５，６によって気筒２への吸引空気を過給しつつ、吸気バルブ３のバルブタイミングの制御によって気筒２の筒内最高圧力Ｐmaxの増大を抑制するので、過給による高出力化を図りながら、筒内最高圧力Ｐmaxの増大によるエンジン本体の機械的強度への影響を抑えることができる。

また、このエンジン１によれば、過給圧力Ｐｔと排気圧力Ｐｅの差圧がなくなるとＥＧＲが効かなくなることから、排気圧力Ｐｅが過給圧力Ｐｔを十分に上回るように制御することで、ＥＧＲを有効にすることができる。従って、このエンジン１によれば、過給による高出力化を図りながら、筒内最高圧力Ｐmaxの増大によるエンジン本体の機械的強度への影響を抑えて長寿命化を実現し、更にはＥＧＲの有効性を確保することで燃費向上を図ることができる。

更に、このエンジン１によれば、ターボチャージャー５，６として可変ノズルターボチャージャーを採用し、これらのノズル開度を変更して排気圧力Ｐｅを過給圧力Ｐｔより大きくすることで、過給による高出力化を図りながらＥＧＲを有効にすることができる。

また、このエンジン１によれば、排気ブレーキバルブ９を制御して気筒２の排気圧力Ｐｅを増大させることにより、排気圧力Ｐｅを過給圧力Ｐｔより十分に大きくすることで、過給による高出力化を図りながらＥＧＲを有効にすることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、エンジン１は必ずしも二段過給システムを備える必要はなく、一段の過給システムであってもよい。また、圧力制御の手法は上述したものに限られない。

１…エンジン ２…気筒 ３…吸気バルブ ４…排気バルブ ５…低圧段ターボチャージャー（過給機） ５Ａ…低圧段コンプレッサ ５Ｂ…低圧段タービン ６…高圧段ターボチャージャー（過給機） ６Ａ…高圧段コンプレッサ ６Ｂ…高圧段タービン ７…ＥＧＲ通路 ８…吸排気バルブ制御部（吸気バルブ制御手段） ９…排気ブレーキバルブ １１…吸気通路 １２…排気通路 １３…インタークーラ １４…アフタークーラ １５…ＥＧＲバルブ １６…ＥＧＲクーラー １７…過給圧センサ １８…排気圧センサ

Claims (3)

1. 複数の気筒を有するディーゼルエンジンにおいてミラーサイクルを行う内燃機関であって、
   前記気筒の吸引空気の過給を行う過給機と、
   前記気筒の吸気バルブのバルブタイミングを制御する吸気バルブ制御手段と、
   前記気筒の排気ガスを吸気側に再循環させるためのＥＧＲ通路と、
   前記気筒の排気圧力が前記過給機の過給圧力より大きくなるように、前記気筒の排気圧力又は前記過給機の過給圧力を制御する圧力制御手段と、
   を備え、
   前記吸気バルブ制御手段は、前記過給機の過給を行わない場合と比べて、前記ミラーサイクルの圧縮行程で前記気筒内のガスの体積に対する前記気筒内の圧力が低くなり、前記ミラーサイクルの膨張行程で前記気筒内のガスの体積に対する前記気筒内の圧力が高くなり、前記圧縮行程から前記膨張行程にかけて前記過給機の過給による前記気筒の筒内最高圧力の増大を抑えるように、前記過給機の過給を行った場合における前記吸気バルブのバルブタイミングを制御することを特徴とする内燃機関。
2. 前記過給機は、可変ノズルターボチャージャーであり、
   前記圧力制御手段は、前記ミラーサイクルの排気行程で前記気筒の排気圧力が前記過給機の前記過給圧力より大きくなるように前記過給機のノズルを変化させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記気筒の排気通路に設けられた排気ブレーキバルブを更に備え、
   前記圧力制御手段は、前記ミラーサイクルの排気行程で前記気筒の排気圧力が前記過給機の前記過給圧力より大きくなるように前記排気ブレーキバルブを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。

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