JPH11200902A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の内部ＥＧＲを改善する。 【解決手段】 ３１はシリンダ軸線、３２はシリンダ軸
線３１を通り径方向に延びる線分であり、この線分３２
で２個の吸気弁４，５を区分し、且つ２個の排気弁６，
７を区分し、線分３２の一方（図では上半部分）に位置
する第２吸気弁５及び第２排気弁７を開閉させるように
したことを特徴とする。 【効果】 対向する第２吸気弁５及び第２排気弁７を閉
じ（×印）、対向する第１吸気弁４及び第１排気弁６で
低速モード運転をすれば、気流の流れが整流化され気筒
２の内部では穏やかなスワール流れを形成することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の内部ＥＧ
Ｒの改良技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）
の低減策や燃費向上策として、内燃機関の排ガスの一部
を吸気系へ環流して混合気に加える技術が知られてい
る。この技術はＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅ
ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気再循環）と称す。

【０００３】従来より内部ＥＧＲは、特開平５−３２１
７０２号公報に示されるような内燃エンジンの動弁制御
によるものが提案されている。この内部ＥＧＲは「バル
ブタイミングが低速バルブタイミングに設定されている
ときには、排気弁を排気工程前半で閉弁させ、筒内圧が
略大気圧となった時点で吸気弁を開弁させる。」という
技術であり、気筒内に排気を好しく残留させて燃費の向
上等を図るというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の内部Ｅ
ＧＲにおいては、多量の既燃ガスが筒内に残留すると火
炎核の生成が遅れ、火炎伝ぱ速度が遅くなることから、
燃焼が不安定となり運転性を損う恐れがある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、筒内の残留
ガスが新気流入時に拡散し、着火性が悪化することに起
因する。従って、残留ガスと新気が成層化可能であれ
ば、上記課題は解決できる。成層化は新気が筒内へ流入
する際、シリンダ軸線に直交する方向の流動成分を強化
することで達成できる。

【０００６】具体的には、請求項１は、筒内に旋回流を
生起させる形式の内燃機関において、この内燃機関は、
排気弁を排気下死点から吸気上死点前クランク角４０゜
までの間に閉弁するとともに吸気弁を吸気上死点後クラ
ンク角４０゜から吸気下死点までの間に開弁する動弁装
置を備えていることを特徴とする。排気弁早閉じ、吸気
弁遅開きによりポンピングロスの低減を図ることによ
り、燃費の改善が図れる。更に、内部ＥＧＲと新気の成
層化がスワールによって促進でき、着火性能が向上し、
燃焼の改善を図りつつＮＯｘを低減することができる。
この結果、内燃機関の燃費の低減及びエミッションの低
減が図れる。

【０００７】請求項２では、動弁装置は、複数個の排気
弁及び複数個の吸気弁を、シリンダ軸線を通り径方向に
延びる線分で、各々区分したときに前記線分を基準に同
一側の排気弁並びに吸気弁を開閉させるものであること
を特徴とする。排気時のスワールと吸気時のスワールが
同一指向となるので、内部ＥＧＲと進気の成層化が一層
図れる。この結果、内燃機関の燃費の更なる低減及びエ
ミッションの更なる低減が図れる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。図１は本発明に係る気筒、給排気弁及び弁
開制御手段の一例を示す斜視図であり、内燃機関１の気
筒（シリンダ）２は平面視口形の各頂点付近に、第１吸
気弁４、第２吸気弁５、第２排気弁７及び第１排気弁５
を時計廻りに順に配置し、点火栓９を備えたものであ
る。すなわち、第１吸気弁４と第１排気弁６とが対向
し、第２吸気弁５と第２排気弁７とが対向する。

【０００９】動弁装置１０は、吸気側カムシャフト１
１、このシャフト１１に順に配置された遅開きカム１
２，標準カム１３並びに休止カム１４、これらのカム１
２〜１４と前記吸気弁４，５とを連動するロッカアーム
１５，１６，１７、ロストモーションスプリンブ１８、
及び、排気側カムシャフト２１、このシャフト２１に順
に配置された早閉じカム２２，標準カム２３並びに休止
カム２４、これらのカム２２〜２４と前記排気弁６，７
とを連動するロッカアーム２５，２６，２７、ロストモ
ーションスプリンブ２８、そしてロッカアーム２５〜２
７に内蔵された切換え油圧ピストン２９（吸気側のロッ
カアーム１５〜１７にも油圧ピストン（不図示）が内蔵
されていたが説明は省略した。）と、前記これら油圧ピ
ストン２９等を制御する制御部（図５の符号５５参照）
とからなる。

【００１０】制御部の作用を先に説明すると、通常は油
圧ピストン２９の一体化作用で排気側の３個のロッカア
ーム２５〜２７が一体となり、カムプロフィールの一番
大きい中央の標準カム２３によって押される。プロフィ
ールの小さな両側の早閉じカム２２並びに休止カム２４
は空転して押し作用をなさない。一方、低負荷時は３個
の早閉じカム２２，標準カム２３並びに休止カム２４は
それぞれロッカアーム２５，２６，２７を押すが、中央
の標準カム２３のみロストモーションスプリング２８で
動きが吸収される。そこで、両側の早閉じカム２２並び
に休止カム２４が有効となり、早閉じカム２２は第１排
気弁６を駆動する。休止カム２４はプロフィールがより
小さいため空転するのみで第２排気弁７を閉じたままと
する。吸気側も同様であって通常は標準カム１３で第１
・２吸気弁４，５を駆動し、低負荷時は遅開きカム１２
並びに休止カム１４が有効となり、第１吸気弁４は遅開
きカム１２で駆動され、第２吸気弁５は閉のままとな
る。

【００１１】図２は本発明の内部ＥＧＲに係るバルブタ
イミング説明図であり、低負荷時には早閉じカムで第１
排気弁を早閉じし、遅開きカムで第１吸気弁を遅く開け
ることを示し、この間に気筒内に適量の排気を残留させ
ることを示す。

【００１２】図３は本発明に係る吸・排気弁の開閉時期
と機械損失の関係を示すグラフであり、横軸は吸・排気
弁の開閉時期、縦軸のうち左縦軸はＰｓｆ（機関損
失）、右縦軸はＰｍｉ変動率（図示平均有効圧力変動
率）を示す。すなわち、排気弁閉じ角・吸気弁開き角を
変えてＰｓｆ（機関損失）及びＰｍｉ変動率を測定した
ところ、グラフに示す如く、排気弁閉じ角が吸気ＴＤＣ
（吸気上死点）前４０゜から吸気ＴＤＣ（吸気上死点）
まで、並びに吸気開き角が吸気ＴＤＣ（吸気上死点）か
ら吸気ＴＤＣ（吸気上死点）後４０゜までの吸・排気弁
のタイミングの場合、Ｐｓｆ（機関損失）が増大すると
同時に、燃焼の良否を示す指標であるＰｍｉ変動率が悪
化することがわかた。したがって、排気弁閉じ角は排気
ＢＤＣ（排気下死点）から吸気ＴＤＣ（吸気上死点）前
４０゜までの間に、且つ、吸気弁開き角は吸気ＴＤＣ
（吸気上死点）後４０゜から吸気ＢＤＣ（吸気下死点）
までの間に存在すれば、機械損失が低減できると共に燃
焼が良好となり、燃費及びエミッションが向上する。

【００１３】図４は本発明に係る弁休止の説明図であ
る。図中、３１はシリンダ軸線、３２はシリンダ軸線３
１を通り径方向に延びる線分であり、この線分３２で２
個の吸気弁４，５を区分し、且つ２個の排気弁６，７を
区分し、線分３２の一方（図では上半部分）に位置する
第２吸気弁５及び第２排気弁７を開閉させるようにした
ことを特徴とする。対向する第２吸気弁５及び第２排気
弁７を閉じ（×印）、対向する第１吸気弁４及び第１排
気弁６で低速モード運転をすれば、気流の流れが整流化
され気筒２の内部では穏やかなスワール流れを形成する
ことができる。

【００１４】図５は本発明に係る内燃機関及び外部排気
環流手段の構成図であり、外部排気環流手段４０は、排
気管４１と吸気管４２（スロットル弁４３の２次側）と
を結ぶ排気環流路４４と、この排気環流路４４に介設さ
れた環流量制御弁４６（弁体４７，ダイヤフラム４８，
スプリング４９，大気通孔５１からなる。）と、前記環
流量制御弁４６の負圧室５２と吸気管４２（スロットル
４３の２次側）とを結ぶ負圧連絡路５３と、この負圧連
絡路５３の圧力を制御するための圧力調整弁５４と、後
述する各種センサの信号情報に基づいて外部排気環流手
段４０を制御する制御部５５とからなる。

【００１５】各種センサは、スロットル開度センサ６
１、吸気管４２（スロットル弁４３の２次側）に設けら
れた絶対圧センサ６２及び吸気温センサ６３、エンジン
に付設された水温センサ６４，回転数センサ６５及び気
筒判別センサ６６、排気管４１（触媒装置６７の１次
側）に設けられたＯ₂センサ６８、及び外置きされた大
気圧センサ６９などである。また、図中、７１は燃料噴
射弁、７２はバルブタイミング切換用電磁弁、７３は油
圧センサである。即ち、図１で説明した油圧ピストン２
９はこの電磁弁７２によって切換え制御される。

【００１６】本実施例の総合的作用は後述するものとし
て上記外部排気環流手段４０の作用を説明する。各種セ
ンサの信号情報及び予めインプットされている各種マッ
プに基づいて制御部５５は、環流量制御弁４６を制御し
て排気環流量を増減する。具体的には、吸気管４２が排
気管４１より低圧であるから、弁体４７の開度を増加す
れば環流量が増加する。そのために、制御部５５は圧力
調整弁５４を制御する。圧力調整弁５４を絞ると負圧連
絡路５３内の負圧が強まり、負圧室５２の負圧度が高く
なるためダイヤフラム４８はスプリング４９に抗して弁
体４７を開側へ移動する。逆に、圧力調整弁５４を開け
ることにより弁体４７を閉側へ移動できる。この要領で
環流量制御弁４６の弁開度を増減することにより、外部
ＥＧＲに係る排気環流量を自由に制御できる。

【００１７】以上に述べた排気環流式内燃機関の作用を
次に説明する。図６は本発明に係る制御部の作動フロー
図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。 ＳＴ０１：回転数センサ６５及びスロットル開度センサ
６１により制御部５５にエンジン回転数Ｎｅ及びスロッ
トル開度Ａ_ACCを読込む。 ＳＴ０２：制御部５５は予めインプットされていたＭａ
ｐ０１に基づいて目標負荷を演算し供給すべき燃料の量
Ｑ_fuelを決定する。 ＳＴ０３：目標負荷がＬ（ロー）切替値Ｌを超えている
か否かを判断する。Ｌ以下であれば低負荷運転、Ｌを超
えていれば通常の運転と判断することを意味する。

【００１８】ＳＴ０４：目標負荷がＬを超えていれば、
通常運転を実施するべく、図１において標準カム１３，
２３、２個の吸気弁４，５及び２個の排気弁６，７を使
用した標準運転をなす。 ＳＴ０５：Ｍａｐ０２から目標吸入空気量Ｑ_THを決定し
て、運転を継続する。

【００１９】ＳＴ０６：低負荷運転が選択された場合に
は、図１の休止カム１４，２４を選択して第２吸気弁５
及び第２排気弁７を閉じたままにする。 ＳＴ０７：同時に早閉じカム２２及び遅開きカム１２を
選択して第１排気弁６を標準より早く閉じ、また第１吸
気弁４を標準より遅く開けるようにする。 ＳＴ０８：Ｍａｐ０３に基づいて目標吸入空気量Ｑ_THを
決定する。これで、いわゆる内部ＥＧＲの設定が完了し
たことになり、以降、気筒内に排気が適量残留すること
となる。

【００２０】ＳＴ０９：次に、Ｍａｐ０４から外部ＥＧ
Ｒ弁（正しくは環流量制御弁４６）の弁開度を読取り、
その開度になるように弁開度を調整する。これで排気の
一部を吸気系に戻すところの外部ＥＧＲの設定が完了し
たことになる。 ＳＴ１０：Ｏ₂センサ６８にて排気の酸素濃度を計測
し、空燃比が適当であるか否かを診断する。許容値を外
れていれば外部ＥＧＲを補正する。以上のごとく、制御
部５５は各種センサ及び制御マップに基づいて、低負荷
時に弁休止と内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとを組合わせた運
転をなすことを特徴とする。

【００２１】以上に述べた排気環流式内燃機関の作用を
次に説明する。図７は本発明に係る作用説明図であり、
気筒１の燃焼室３Ａの図下部３Ｃに内部ＥＧＲに係る気
体が充満し、上部３Ｂに新気（外部ＥＧＲに係る気体）
が充満する。新気は点火栓に近いので着火性は良好であ
る。一方、内部ＥＧＲに係る気体は、やや燃焼性に欠け
る。しかし、点火栓から遠いので着火には悪影響を及ぼ
さない。内部ＥＧＲと新気の成層化がスワールによって
促進でき、着火性能が向上し、燃焼の改善を図りつつＮ
Ｏｘを低減することができる。この結果、内燃機関の燃
費の低減及びエミッションの低減が図れる。

【００２２】図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るＰＶ線
図であり、横軸は行程容積Ｖ、縦軸は筒内圧力Ｐを示
す。（ａ）はバルブタイミングが低速Ｖ／Ｔ（Ｖ／Ｔは
バルブタイミングを示す。以下同様。）に設定されてい
るときには、筒内圧が大気圧ＰＡより若干大きな圧力値
を示す時点で排気弁が開弁し、この排気弁は排気行程突
入後ピストンがＢＤＣ（下死点）からＴＤＣ（上死点）
に移動中におけるその前半部で閉弁する。なお、このと
きの筒内圧は略大気圧である。そして、排気弁が閉弁さ
れたことにより、この後ＴＤＣまでの筒内圧は徐々に上
昇するが、その後ピストンは下降するため筒内圧が再び
大気圧に近付く。

【００２３】そして、吸気弁は筒内圧が略大気圧になっ
た時点で開弁し、この吸気弁はピストンがＢＤＣからＴ
ＤＣに移動途中における筒内圧が大気圧ＰＡと略同一と
なった時点で閉弁し、その後圧縮行程、爆発行程中、Ｐ
Ｖ線図上において図示仕事を実行（斜線部）、再び排気
弁が開弁する。

【００２４】（ｂ）はバルブタイミングが高速Ｖ／Ｔに
設定されているときは、低速Ｖ／Ｔと略同様、筒内圧が
大気圧ＰＡより若干大きな値を示す時点で排気弁が開弁
し、この排気弁が排気行程のピストンＴＤＣ近傍で閉弁
するとともに、吸気弁が開弁する。

【００２５】そして、吸気弁は上記低速Ｖ／Ｔ時と同
様、ＢＤＣからＴＤＣへの移動途中における筒内圧が略
大気圧ＰＡとなる時点で閉弁し、その後圧縮行程、爆発
行程中、ＰＶ線図上において図示仕事を実行（斜線
部）、再び排気弁が開弁する。

【００２６】低速Ｖ／Ｔ、高速Ｖ／Ｔにおけるポンピン
グロスは大気圧ＰＡより低圧の領域、すなわちドット
（図中に細かく点を打った）領域であるから、本発明に
よればポンピングロスを大幅に低減することができる。

【００２７】尚、詳しくは説明しないが、本発明を気筒
数切替え型内燃機関に適用することもできる。即ち、通
常の運転で例えば４気筒を使用し、低負荷時には２気筒
を休止させ、残りの２気筒に本発明（弁休止＋内部ＥＧ
Ｒ）を適用すれば、一層効果的な運転と燃費低減とが図
れる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１では、排気弁早閉じ、吸気弁遅開きによ
りポンピングロスの低減を図ることにより、燃費の改善
が図れる。更に、内部ＥＧＲと新気の成層化がスワール
によって促進でき、着火性能が向上し、燃焼の改善を図
りつつＮＯｘを低減することができる。この結果、内燃
機関の燃費の低減及びエミッションの低減が図れる。

【００２９】請求項２では、排気時のスワールと吸気時
のスワールが同一指向となるので、内部ＥＧＲと進気の
成層化が一層図れる。この結果、内燃機関の燃費の更な
る低減及びエミッションの更なる低減が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気筒、給排気弁及び弁開制御手段
の一例を示す斜視図

【図２】本発明の内部ＥＧＲに係るバルブタイミング説
明図

【図３】本発明に係る吸・排気弁の開閉時期と機械損失
の関係を示すグラフ

【図４】本発明に係る弁休止の説明図

【図５】本発明に係る内燃機関及び外部排気環流手段の
構成図

【図６】本発明に係る制御部の作動フロー図

【図７】本発明に係る作用説明図

【図８】本発明に係るＰＶ線図

【符号の説明】

１…内燃機関、２…気筒、４…第１吸気弁、５…第２吸
気弁、６…第１排気弁、７…第２排気弁、９…点火栓、
１０…動弁装置、１１，２１…カムシャフト、１２…遅
開きカム、１３，２３…標準カム、１４，２４…休止カ
ム、２２…早閉じカム、２９…油圧ピストン、３１…シ
リンダ軸線、３２…シリンダ軸線に直交する線分、５５
…制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒内に旋回流を生起させる形式の内燃機
   関において、この内燃機関は、排気弁を排気下死点から
   吸気上死点前クランク角４０゜までの間に閉弁するとと
   もに吸気弁を吸気上死点後クランク角４０゜から吸気下
   死点までの間に開弁する動弁装置を備えていることを特
   徴とする内燃機関。
2. 【請求項２】 前記動弁装置は、複数個の排気弁及び複
   数個の吸気弁を、シリンダ軸線を通り径方向に延びる線
   分で、各々区分したときに前記線分を基準に同一側の排
   気弁並びに吸気弁を開閉させるものであることを特徴と
   した請求項１記載の内燃機関。