JP2004270621A - エンジンの吸気系装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、NOxおよびPMの排出量を低減するのに有効な触媒の活性化を促進しえる手段を提供する。また、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、NOxおよびPMの排出量を低減するのに有効な予混合燃焼を実現しえる手段を提供する。
【解決手段】筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置において、各気筒に複数の吸気バルブ15a,15bを設け、これら吸気バル15a,15bブに対応する系統別の吸気ポート17a,17bおよび吸気マニホールド18a,18bと、上流側の吸気通路19を各マニホールド18a,18bにそれぞれ接続する分岐通路20a,20bと、これら分岐通路20a,20bの少なくとも1つを開閉する吸気遮断バルブ21と、系統別の吸気バルブ15a,15bを異なるタイミングで開閉する動弁機構(カムシャフト42,43)と、を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置において、各気筒に複数の吸気バルブ15a,15bを設け、これら吸気バル15a,15bブに対応する系統別の吸気ポート17a,17bおよび吸気マニホールド18a,18bと、上流側の吸気通路19を各マニホールド18a,18bにそれぞれ接続する分岐通路20a,20bと、これら分岐通路20a,20bの少なくとも1つを開閉する吸気遮断バルブ21と、系統別の吸気バルブ15a,15bを異なるタイミングで開閉する動弁機構(カムシャフト42,43)と、を備える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置に関する。詳しくは、エンジンの排気通路から放出される排気中のNOx量やPM量を低減するための技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
過給機を備えるエンジンの動弁機構において、吸気バルブの閉弁時期を遅く制御することにより、有効膨張比を有効圧縮比(実圧縮比)よりも高めつつ、有効圧縮比の低下を低温高圧の過給気で補うことにより、耐ノック性を高めるようにしたものが開示される(特許文献1)。
【0003】
気筒毎に1対(2個)の吸気バルブを備えるエンジンにおいて、1対の吸気バルブを開閉する動弁機構にこれら吸気バルブの開閉作動態様を運転状態に応じて変化(低速時に一方の吸気バルブを休止)させる機構を付加したものが開示される(特許文献2)。
【0004】
ディーゼルエンジンにおいて、予混合燃焼速度を適正範囲に調整するよう、NOxセンサの検出信号と予め設定の目標濃度との偏差に基づいて、燃焼速度に影響する要因(圧縮比、EGR、吸気量、など)を制御するものが開示される(特許文献3)。
【0005】
筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、適正な予混合燃焼を実現すべく、筒内温度を最適に制御するため、燃焼室に可変容積室を設けるものが開示される(特許文献4)。
【0006】
【特許文献1】
特開平6−264782号
【特許文献2】
特開平7−310515号
【特許文献3】
特開2001−152853号
【特許文献4】
特開平11−107792号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンに代表される、筒内噴射圧縮着火エンジンにおいては、一般に拡散燃焼主体の燃焼が行われる。燃料は、圧縮行程のピストン上死点(TDC)付近において、高温の筒内へ噴射され、圧縮着火するようになるが、その際にNOxやPMを発生しやすく、これらの排出量を低減するため、希薄予混合燃焼が有望視されるのである。
【0008】
その一方、NOxおよびPMの排出量を低減するため、触媒により後処理することも考えられる。運転状態によっては、触媒の活性化に排気温度を高めるべく、燃料の後噴射や吸気絞り等が行われるが、これらによると、熱効率(燃費)の悪化を招いてしまう。NOxおよびPMの低減に有望な予混合燃焼についても、これを成立させるのに低圧縮,高EGR,高スワールなどの条件が望まれるが、これら条件のいずれも、熱効率(燃費)を悪化させる要因となるのである。
【0009】
この発明は、このような不具合を解決するための有効な手段の提供を目的とする。具体的には、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、NOxおよびPMの排出量を低減するのに有効な触媒の活性化を促進しえる手段の提供を目的とする。また、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、NOxおよびPMの排出量を低減に有効な予混合燃焼を実現しえる手段の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置において、各気筒に複数の吸気バルブを設け、これら吸気バルブに対応する系統別の吸気ポートおよび吸気マニホールドと、上流側の吸気通路を各マニホールドのそれぞれ接続する分岐通路と、これら分岐通路の少なくとも1つを開閉する吸気遮断バルブと、系統別の吸気バルブを異なるタイミングで開閉する動弁機構と、を備えることを特徴とする。
【0011】
第2の発明は、第1の発明に係るエンジンの吸気系装置において、動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブについて、ピストン下死点後に閉弁させる一方、それ以外の吸気バルブについては、ピストン下死点前に閉弁させるべく設定されることを特徴とする。
【0012】
第3の発明は、第1の発明または第2の発明に係るエンジンの吸気系装置において、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気ポートは、スワールの少ないストレートポートまたはスパイラルポート、それ以外の吸気ポートについては、スワールの高いスワールポートまたはタンジェンシャルポート、に設定されることを特徴とする。
【0013】
第4の発明は、第3の発明に係るエンジンの吸気系装置において、スワールポートの吸気バルブは、ストレートポートの吸気バルブよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定されることを特徴とする。
【0014】
第5の発明は、第1の発明〜第4の発明の何れか1つに係るエンジンの吸気系装置において、吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない系統の吸気マニホールドにEGR通路の出口部を接続するEGR装置を備えることを特徴とする。
【0015】
第6の発明は、第5の発明に係るエンジンの吸気系装置において、EGR装置は、EGR通路にEGRガスを冷却するEGRクーラを備えることを特徴とする。
【0016】
第7の発明は、第1の発明〜第6の発明の何れか1つに係るエンジンの吸気系装置において、吸気遮断バルブを少なくとも低負荷低回転域のときに閉弁する手段を備えることを特徴とする。
【0017】
【発明の効果】
第1の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない吸気バルブからの吸気が筒内へ吸入されるのみになり、閉弁が遅い方の吸気バルブへの吸気の供給が遮断される場合、筒内への吸気量が低減されることになる。吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により異なるタイミングで開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減される。そのため、ポンピングロスを小さく抑えつつ、吸気量の低減により、排気温度が高められ、触媒の活性化を促進できるほか、筒内の酸素量も低減するので、適正な予混合燃焼に必要な着火遅れ期間が稼げるようになる。しかも、吸気絞り(スロットル)のみで吸気量を低減する場合に較べると、ポンピングロスが少なく、熱効率(燃費)の悪化が抑えられるのである。
【0018】
第2の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ピストン上死点後に閉弁する吸気バルブへの吸気の供給が遮断され、吸気はピストン上死点前に閉弁する吸気バルブから吸入されるのみになる。そのため、機械的な膨張比を変えることなく、実圧縮比を下げられるので、適正な予混合燃焼を実現しやすくなる。しかも、吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、実圧縮比の低下が図れることになる。
【0019】
第3の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ストレートポートの吸気バルブへの吸気の供給が遮断され、吸気はスワールポートの吸気バルブから吸入されるのみになる。そのため、適正な予混合燃焼に必要なスワール比が得られるようになる。しかも、吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、スワール比の最適化により、燃料と空気との均一な混合が図れることになる。
【0020】
第4の発明においては、スワールの生成に伴うポンピングロスも軽減され、熱効率(燃費)の悪化が抑えられる。
【0021】
第5の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、EGR通路の出口部が接続する系統の吸気バルブから吸気が筒内へ吸入されるのみになり、吸気量に占めるEGR量が相対的に増加する。吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、適正な予混合燃焼に必要なEGR量が得られるようになる。
【0022】
第6の発明においては、EGRガスにより、筒内温度が高くなるのが防げるため、適正な予混合燃焼を実現しやすくなる。
【0023】
第7の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、着火遅れが大きくなるよう、吸気量または/および圧縮比または/およびスワール比または/およびEGR量が調整される。このため、少なくとも低負荷低回転において、吸気遮断バルブが閉弁すると、その間はNOxやPMの低減に有効な予混合燃焼主体の燃焼を生じさせることが可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1,図2において、10はエンジン(ディーゼルエンジン)であり、吸気通路11および排気通路12と、吸気系へ排気の一部を環流させるEGR装置13と、などを備える。気筒毎に吸気バルブ15および排気バルブ16が1対(2個)ずつ配置される。
【0025】
図示しないが、燃料噴射装置については、コモンレール式が採用され、気筒毎に燃料噴射弁(インジェクタ)が配置される。インジェクタは、コモンレール(蓄圧室)に接続され、後述するエンジンECU45の制御に基づいてコモンレールの蓄える高圧燃料を燃焼室へ噴射する。
【0026】
吸気通路11は、各気筒の吸気バルブ15a,15b毎に対応する吸気ポート17a,17bと、系統別に配置される吸気マニホールド18a,18bと、が備えられる。19は上流側の吸気管であり、その下流側に各マニホールド18a,18bに接続する分岐通路20a,20bが形成され、図示の場合、吸気管19から下流側が2系統の吸気経路に分岐される。50はエアクリーナである。
【0027】
2つの分岐通路20a,20bの一方にこれを開閉する吸気遮断バルブ21が設けられる。吸気遮断バルブ21は、弁体21a(バタフライバルブ)と、その開閉を駆動するアクチュエータ21bと、からなり、アクチュエータ21bのON(伸作動)により、バタフライバルブ21aが閉弁(分岐通路20bを全閉する位置へ回動)する一方、アクチュエータ21bのOFF(縮作動)により、バタフライバルブ21aが開弁(分岐通路20bを全開する位置へ回動)する。
【0028】
各気筒の2系統の吸気ポート17について、その一方(吸気遮断バルブ21の下流に当たる吸気ポート17b)はストレートポート、もう一方は(吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気ポート17a)はスワールポート、に形成される。
【0029】
排気通路12は、排気マニホールド25が1つであり、各気筒の排気ポート26において、その上流側が1対の排気バルブ16a,16bへの分岐部に形成される。27はマニホールド25に接続する排気管であり、NOxおよびPMを後処理するため、触媒28がマフラ29の上流に配置される。
【0030】
30はターボチャージャであり、タービン30aとコンプレッサ30bとからなり、タービン30aが排気の熱エネルギで回転すると、これと同軸に連結するコンプレッサ30bが駆動され、各気筒への吸気を過給する。31は過給気を冷却するインタクーラであり、後述する実圧縮比の低下を低温高圧の過給気で補うことにより、出力向上と燃費改善を図れるようになる。
【0031】
EGR装置13は、吸気通路11と排気通路12を連絡するEGR通路35と、EGR率を制御するEGRバルブ36と、を備えるものであり、筒内温度の上昇原因とならないよう、EGRガスを冷却するEGRクーラ37が介装される。EGR通路35の入口は、排気マニホールド25の集合部(分岐管38の合流部)に接続される一方、同じく出口については、2つの吸気マニホールド18a,18bのうち、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない(吸気の経路に吸気遮断バルブ21の介在しない)系統の吸気マニホールド18bの集合部(分岐管39の合流部)に接続される。40はEGRバルブ36をECUの指令に応じた開度(EGR率)に調整するアクチュエータである。
【0032】
図2において、1対の吸気バルブ15a,15bを異なるタイミングで開閉するのがカムシャフト42,43(動弁機構の一部を構成する)であり、これらカムシャフト42,43はギヤまたはチェーンを介してクランクシャフトに連結され、クランクシャフトが2回転する間に1回転する。1対の排気バルブ16a,16bは、図示しないカムシャフト(クランクシャフトにより、カムシャフト42,43と同様に駆動される)により、同一のタイミングで開閉する。
【0033】
吸気バルブ15a,15bおよび排気バルブ16a,16bに係るカムプロフィルは、図3のようなバルブタイミングに設定される。図示の場合、吸気バルブ15については、ピストン上死点(TDC)前に両方とも同時に開弁する一方、吸気遮断バルブ21の下流に当たる吸気バルブ15bは、ピストン下死点(BDC)後、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気バルブ15aは、ピストン下死点(BDC)前、に閉弁する。排気バルブ16は、ピストン下死点(BDC)前に開弁する一方、ピストン上死点(TDC)後に閉弁するのである。
【0034】
吸気遮断バルブ21が開弁状態のときは、2系統の吸気経路から各気筒へ吸気が供給される。EGR量は、バルブ36の開度に応じたEGR率に制御され、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気マニホールド18aへ供給される。吸気は、両方の吸気ポート17a,17bを流れるので、スワール比は低めに抑えられながら、両方の吸気バルブ15a,15bから吸入され、吸気バルブ15bが遅れて閉弁するまでの間、筒内に充填されるのである。燃料噴射時期が圧縮行程の上死点(TDC)付近に制御されると、拡散燃焼主体の燃焼になり、ターボチャージャの過給効果により、高負荷高回転域において、出力や燃費を十分に確保できるようになる。
【0035】
吸気遮断バルブ21が閉弁すると、その下流の吸気の流れが遮断され、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気マニホールド18aから各気筒へ吸気が供給されるのみになる。EGR量は、バルブ36の開度に応じたEGR率に制御され、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気マニホールド18aへ供給されるが、2系統の吸気経路が1系統に削減されるため、吸気量に占めるEGR量は相対的に増加する。吸気は、スワールポート17aから吸気バルブ15aを介して筒内へ吸入されるのみとなり、ストレートポート17bを経由しないため、スワール比も高められる。スワールポート17aの吸気バルブ15aは、閉弁時期が早いため、筒内の吸気量が低減され、実圧縮比(有効圧縮比)が下がるのである。
【0036】
吸気の供給が遮断されるストレートポート17bの吸気バルブ15bについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減される。そのため、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、燃料の着火遅れ期間を稼げるようになる。着火遅れ期間は、実圧縮比の低下およびEGR量の増加により、大きく稼げるのであり、スワール比も高められ、その間に燃料と空気との混合(ミキシング)が促進されるので、低負荷低回転域など(高出力が要求される高負荷高回転域を除く運転領域)において、NOxやPMの低減に有効な予混合燃焼主体の燃焼を生じさせることが可能となるのである。
【0037】
このように適正な予混合燃焼の成立に必要な低圧縮比または/および高スワールまたは/および高EGRが得られるのであり、これらを得るのに吸気遮断バルブ21を閉弁するのみで良く、複雑な機構(可変バルブタイミング機構や可変スワール機構など)も要らない。また、吸気遮断バルブ21の閉弁により、吸気量が低減されるので、吸気絞り(スロットル)のみで吸気量を低減する場合に較べると、ポンピングロスが少なく、従って熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、排気温度を高められ、触媒28の活性化も促進できる。
【0038】
図4は、吸気遮断バルブ21の制御特性を説明するものであり、エンジン回転速度Nとエンジン負荷L(アクセル開度)をパラメータに低負荷低回転域(高負荷高回転域を除く運転領域A)において、分岐通路20bを閉弁する一方、それ以外の運転領域において、分岐通路21bを開弁する、制御特性に設定される。この制御特性は、エンジンECU45に格納される。
【0039】
ECU45は、燃料噴射を制御する機能のほか、吸気遮断バルブ21およびEGRバルブ36を制御する機能を備える。これらの制御に必要な検出手段に運転状態を代表する、エンジン回転速度およびエンジン負荷(アクセル開度)を検出するエンジン回転センサ46およびアクセル開度センサ47が設けられる(図1、参照)。
【0040】
図5は、吸気遮断バルブ21を制御する機能を説明する流れ図であり、S1においては、エンジン回転センサ46の検出信号およびアクセル開度センサ47の検出信号を読み込む。S2においては、これらの検出値から図4の制御特性に基づいて運転状態が領域Aかどうかを判定する。S2の判定がyesのときは、S3において、吸気遮断バルブ21を閉弁する一方、S2の判定がnoのときは、S4において、吸気遮断バルブ21を開弁するのである。
【0041】
図6は、別の実施形態を表すものであり、スワールポート17aの径がストレートポート17bの径よりも大きく形成される。つまり、スワールポート17aの吸気バルブ15aは、ストレートポート17bの吸気バルブ15bよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定される。これにより、吸気遮断バルブ21が閉弁する運転領域Aにおいて、スワールの生成に伴うポンピングロスも軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑える面で有利となる。図6において、図1と同一の手段に同一の符号を付け、重複説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態を表すシステムの概要構成図である。
【図2】同じく一部の構成図である。
【図3】同じく給排気バルブの動作特性を表す説明図である。
【図4】同じく吸気遮断バルブの制御特性を表す説明図である。
【図5】同じくECUの制御内容を説明する流れ図である。
【図6】別の実施形態を表すシステムの概要構成図である。
【符号の説明】
10 エンジン
11 吸気通路
12 排気通路
13 EGR装置
15(15a,15b) 吸気バルブ
16(16a,16b) 排気バルブ
17(17a,17b) 吸気ポート
18a,18b 吸気マニホールド
20a,20b 分岐通路
21 吸気遮断バルブ
25 排気マニホールド
26 排気ポート
28 触媒
36 EGRバルブ
37 EGRクーラ
42 吸気バルブのカムシャフト
43 排気バルブのカムシャフト
45 エンジンECU
46 エンジン回転センサ
47 アクセル開度センサ
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置に関する。詳しくは、エンジンの排気通路から放出される排気中のNOx量やPM量を低減するための技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
過給機を備えるエンジンの動弁機構において、吸気バルブの閉弁時期を遅く制御することにより、有効膨張比を有効圧縮比(実圧縮比)よりも高めつつ、有効圧縮比の低下を低温高圧の過給気で補うことにより、耐ノック性を高めるようにしたものが開示される(特許文献1)。
【0003】
気筒毎に1対(2個)の吸気バルブを備えるエンジンにおいて、1対の吸気バルブを開閉する動弁機構にこれら吸気バルブの開閉作動態様を運転状態に応じて変化(低速時に一方の吸気バルブを休止)させる機構を付加したものが開示される(特許文献2)。
【0004】
ディーゼルエンジンにおいて、予混合燃焼速度を適正範囲に調整するよう、NOxセンサの検出信号と予め設定の目標濃度との偏差に基づいて、燃焼速度に影響する要因(圧縮比、EGR、吸気量、など)を制御するものが開示される(特許文献3)。
【0005】
筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、適正な予混合燃焼を実現すべく、筒内温度を最適に制御するため、燃焼室に可変容積室を設けるものが開示される(特許文献4)。
【0006】
【特許文献1】
特開平6−264782号
【特許文献2】
特開平7−310515号
【特許文献3】
特開2001−152853号
【特許文献4】
特開平11−107792号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンに代表される、筒内噴射圧縮着火エンジンにおいては、一般に拡散燃焼主体の燃焼が行われる。燃料は、圧縮行程のピストン上死点(TDC)付近において、高温の筒内へ噴射され、圧縮着火するようになるが、その際にNOxやPMを発生しやすく、これらの排出量を低減するため、希薄予混合燃焼が有望視されるのである。
【0008】
その一方、NOxおよびPMの排出量を低減するため、触媒により後処理することも考えられる。運転状態によっては、触媒の活性化に排気温度を高めるべく、燃料の後噴射や吸気絞り等が行われるが、これらによると、熱効率(燃費)の悪化を招いてしまう。NOxおよびPMの低減に有望な予混合燃焼についても、これを成立させるのに低圧縮,高EGR,高スワールなどの条件が望まれるが、これら条件のいずれも、熱効率(燃費)を悪化させる要因となるのである。
【0009】
この発明は、このような不具合を解決するための有効な手段の提供を目的とする。具体的には、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、NOxおよびPMの排出量を低減するのに有効な触媒の活性化を促進しえる手段の提供を目的とする。また、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、NOxおよびPMの排出量を低減に有効な予混合燃焼を実現しえる手段の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、筒内噴射圧縮着火式エンジンの吸気系装置において、各気筒に複数の吸気バルブを設け、これら吸気バルブに対応する系統別の吸気ポートおよび吸気マニホールドと、上流側の吸気通路を各マニホールドのそれぞれ接続する分岐通路と、これら分岐通路の少なくとも1つを開閉する吸気遮断バルブと、系統別の吸気バルブを異なるタイミングで開閉する動弁機構と、を備えることを特徴とする。
【0011】
第2の発明は、第1の発明に係るエンジンの吸気系装置において、動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブについて、ピストン下死点後に閉弁させる一方、それ以外の吸気バルブについては、ピストン下死点前に閉弁させるべく設定されることを特徴とする。
【0012】
第3の発明は、第1の発明または第2の発明に係るエンジンの吸気系装置において、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気ポートは、スワールの少ないストレートポートまたはスパイラルポート、それ以外の吸気ポートについては、スワールの高いスワールポートまたはタンジェンシャルポート、に設定されることを特徴とする。
【0013】
第4の発明は、第3の発明に係るエンジンの吸気系装置において、スワールポートの吸気バルブは、ストレートポートの吸気バルブよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定されることを特徴とする。
【0014】
第5の発明は、第1の発明〜第4の発明の何れか1つに係るエンジンの吸気系装置において、吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない系統の吸気マニホールドにEGR通路の出口部を接続するEGR装置を備えることを特徴とする。
【0015】
第6の発明は、第5の発明に係るエンジンの吸気系装置において、EGR装置は、EGR通路にEGRガスを冷却するEGRクーラを備えることを特徴とする。
【0016】
第7の発明は、第1の発明〜第6の発明の何れか1つに係るエンジンの吸気系装置において、吸気遮断バルブを少なくとも低負荷低回転域のときに閉弁する手段を備えることを特徴とする。
【0017】
【発明の効果】
第1の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない吸気バルブからの吸気が筒内へ吸入されるのみになり、閉弁が遅い方の吸気バルブへの吸気の供給が遮断される場合、筒内への吸気量が低減されることになる。吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により異なるタイミングで開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減される。そのため、ポンピングロスを小さく抑えつつ、吸気量の低減により、排気温度が高められ、触媒の活性化を促進できるほか、筒内の酸素量も低減するので、適正な予混合燃焼に必要な着火遅れ期間が稼げるようになる。しかも、吸気絞り(スロットル)のみで吸気量を低減する場合に較べると、ポンピングロスが少なく、熱効率(燃費)の悪化が抑えられるのである。
【0018】
第2の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ピストン上死点後に閉弁する吸気バルブへの吸気の供給が遮断され、吸気はピストン上死点前に閉弁する吸気バルブから吸入されるのみになる。そのため、機械的な膨張比を変えることなく、実圧縮比を下げられるので、適正な予混合燃焼を実現しやすくなる。しかも、吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、実圧縮比の低下が図れることになる。
【0019】
第3の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、ストレートポートの吸気バルブへの吸気の供給が遮断され、吸気はスワールポートの吸気バルブから吸入されるのみになる。そのため、適正な予混合燃焼に必要なスワール比が得られるようになる。しかも、吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、スワール比の最適化により、燃料と空気との均一な混合が図れることになる。
【0020】
第4の発明においては、スワールの生成に伴うポンピングロスも軽減され、熱効率(燃費)の悪化が抑えられる。
【0021】
第5の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、EGR通路の出口部が接続する系統の吸気バルブから吸気が筒内へ吸入されるのみになり、吸気量に占めるEGR量が相対的に増加する。吸気の供給が遮断される吸気バルブについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、適正な予混合燃焼に必要なEGR量が得られるようになる。
【0022】
第6の発明においては、EGRガスにより、筒内温度が高くなるのが防げるため、適正な予混合燃焼を実現しやすくなる。
【0023】
第7の発明においては、吸気遮断バルブの閉弁により、着火遅れが大きくなるよう、吸気量または/および圧縮比または/およびスワール比または/およびEGR量が調整される。このため、少なくとも低負荷低回転において、吸気遮断バルブが閉弁すると、その間はNOxやPMの低減に有効な予混合燃焼主体の燃焼を生じさせることが可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1,図2において、10はエンジン(ディーゼルエンジン)であり、吸気通路11および排気通路12と、吸気系へ排気の一部を環流させるEGR装置13と、などを備える。気筒毎に吸気バルブ15および排気バルブ16が1対(2個)ずつ配置される。
【0025】
図示しないが、燃料噴射装置については、コモンレール式が採用され、気筒毎に燃料噴射弁(インジェクタ)が配置される。インジェクタは、コモンレール(蓄圧室)に接続され、後述するエンジンECU45の制御に基づいてコモンレールの蓄える高圧燃料を燃焼室へ噴射する。
【0026】
吸気通路11は、各気筒の吸気バルブ15a,15b毎に対応する吸気ポート17a,17bと、系統別に配置される吸気マニホールド18a,18bと、が備えられる。19は上流側の吸気管であり、その下流側に各マニホールド18a,18bに接続する分岐通路20a,20bが形成され、図示の場合、吸気管19から下流側が2系統の吸気経路に分岐される。50はエアクリーナである。
【0027】
2つの分岐通路20a,20bの一方にこれを開閉する吸気遮断バルブ21が設けられる。吸気遮断バルブ21は、弁体21a(バタフライバルブ)と、その開閉を駆動するアクチュエータ21bと、からなり、アクチュエータ21bのON(伸作動)により、バタフライバルブ21aが閉弁(分岐通路20bを全閉する位置へ回動)する一方、アクチュエータ21bのOFF(縮作動)により、バタフライバルブ21aが開弁(分岐通路20bを全開する位置へ回動)する。
【0028】
各気筒の2系統の吸気ポート17について、その一方(吸気遮断バルブ21の下流に当たる吸気ポート17b)はストレートポート、もう一方は(吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気ポート17a)はスワールポート、に形成される。
【0029】
排気通路12は、排気マニホールド25が1つであり、各気筒の排気ポート26において、その上流側が1対の排気バルブ16a,16bへの分岐部に形成される。27はマニホールド25に接続する排気管であり、NOxおよびPMを後処理するため、触媒28がマフラ29の上流に配置される。
【0030】
30はターボチャージャであり、タービン30aとコンプレッサ30bとからなり、タービン30aが排気の熱エネルギで回転すると、これと同軸に連結するコンプレッサ30bが駆動され、各気筒への吸気を過給する。31は過給気を冷却するインタクーラであり、後述する実圧縮比の低下を低温高圧の過給気で補うことにより、出力向上と燃費改善を図れるようになる。
【0031】
EGR装置13は、吸気通路11と排気通路12を連絡するEGR通路35と、EGR率を制御するEGRバルブ36と、を備えるものであり、筒内温度の上昇原因とならないよう、EGRガスを冷却するEGRクーラ37が介装される。EGR通路35の入口は、排気マニホールド25の集合部(分岐管38の合流部)に接続される一方、同じく出口については、2つの吸気マニホールド18a,18bのうち、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない(吸気の経路に吸気遮断バルブ21の介在しない)系統の吸気マニホールド18bの集合部(分岐管39の合流部)に接続される。40はEGRバルブ36をECUの指令に応じた開度(EGR率)に調整するアクチュエータである。
【0032】
図2において、1対の吸気バルブ15a,15bを異なるタイミングで開閉するのがカムシャフト42,43(動弁機構の一部を構成する)であり、これらカムシャフト42,43はギヤまたはチェーンを介してクランクシャフトに連結され、クランクシャフトが2回転する間に1回転する。1対の排気バルブ16a,16bは、図示しないカムシャフト(クランクシャフトにより、カムシャフト42,43と同様に駆動される)により、同一のタイミングで開閉する。
【0033】
吸気バルブ15a,15bおよび排気バルブ16a,16bに係るカムプロフィルは、図3のようなバルブタイミングに設定される。図示の場合、吸気バルブ15については、ピストン上死点(TDC)前に両方とも同時に開弁する一方、吸気遮断バルブ21の下流に当たる吸気バルブ15bは、ピストン下死点(BDC)後、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気バルブ15aは、ピストン下死点(BDC)前、に閉弁する。排気バルブ16は、ピストン下死点(BDC)前に開弁する一方、ピストン上死点(TDC)後に閉弁するのである。
【0034】
吸気遮断バルブ21が開弁状態のときは、2系統の吸気経路から各気筒へ吸気が供給される。EGR量は、バルブ36の開度に応じたEGR率に制御され、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気マニホールド18aへ供給される。吸気は、両方の吸気ポート17a,17bを流れるので、スワール比は低めに抑えられながら、両方の吸気バルブ15a,15bから吸入され、吸気バルブ15bが遅れて閉弁するまでの間、筒内に充填されるのである。燃料噴射時期が圧縮行程の上死点(TDC)付近に制御されると、拡散燃焼主体の燃焼になり、ターボチャージャの過給効果により、高負荷高回転域において、出力や燃費を十分に確保できるようになる。
【0035】
吸気遮断バルブ21が閉弁すると、その下流の吸気の流れが遮断され、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気マニホールド18aから各気筒へ吸気が供給されるのみになる。EGR量は、バルブ36の開度に応じたEGR率に制御され、吸気遮断バルブ21の下流に当たらない吸気マニホールド18aへ供給されるが、2系統の吸気経路が1系統に削減されるため、吸気量に占めるEGR量は相対的に増加する。吸気は、スワールポート17aから吸気バルブ15aを介して筒内へ吸入されるのみとなり、ストレートポート17bを経由しないため、スワール比も高められる。スワールポート17aの吸気バルブ15aは、閉弁時期が早いため、筒内の吸気量が低減され、実圧縮比(有効圧縮比)が下がるのである。
【0036】
吸気の供給が遮断されるストレートポート17bの吸気バルブ15bについても、動弁機構により開閉されるが、吸気の出入りはないので、ポンピングロスが軽減される。そのため、熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、燃料の着火遅れ期間を稼げるようになる。着火遅れ期間は、実圧縮比の低下およびEGR量の増加により、大きく稼げるのであり、スワール比も高められ、その間に燃料と空気との混合(ミキシング)が促進されるので、低負荷低回転域など(高出力が要求される高負荷高回転域を除く運転領域)において、NOxやPMの低減に有効な予混合燃焼主体の燃焼を生じさせることが可能となるのである。
【0037】
このように適正な予混合燃焼の成立に必要な低圧縮比または/および高スワールまたは/および高EGRが得られるのであり、これらを得るのに吸気遮断バルブ21を閉弁するのみで良く、複雑な機構(可変バルブタイミング機構や可変スワール機構など)も要らない。また、吸気遮断バルブ21の閉弁により、吸気量が低減されるので、吸気絞り(スロットル)のみで吸気量を低減する場合に較べると、ポンピングロスが少なく、従って熱効率(燃費)の悪化を抑えつつ、排気温度を高められ、触媒28の活性化も促進できる。
【0038】
図4は、吸気遮断バルブ21の制御特性を説明するものであり、エンジン回転速度Nとエンジン負荷L(アクセル開度)をパラメータに低負荷低回転域(高負荷高回転域を除く運転領域A)において、分岐通路20bを閉弁する一方、それ以外の運転領域において、分岐通路21bを開弁する、制御特性に設定される。この制御特性は、エンジンECU45に格納される。
【0039】
ECU45は、燃料噴射を制御する機能のほか、吸気遮断バルブ21およびEGRバルブ36を制御する機能を備える。これらの制御に必要な検出手段に運転状態を代表する、エンジン回転速度およびエンジン負荷(アクセル開度)を検出するエンジン回転センサ46およびアクセル開度センサ47が設けられる(図1、参照)。
【0040】
図5は、吸気遮断バルブ21を制御する機能を説明する流れ図であり、S1においては、エンジン回転センサ46の検出信号およびアクセル開度センサ47の検出信号を読み込む。S2においては、これらの検出値から図4の制御特性に基づいて運転状態が領域Aかどうかを判定する。S2の判定がyesのときは、S3において、吸気遮断バルブ21を閉弁する一方、S2の判定がnoのときは、S4において、吸気遮断バルブ21を開弁するのである。
【0041】
図6は、別の実施形態を表すものであり、スワールポート17aの径がストレートポート17bの径よりも大きく形成される。つまり、スワールポート17aの吸気バルブ15aは、ストレートポート17bの吸気バルブ15bよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定される。これにより、吸気遮断バルブ21が閉弁する運転領域Aにおいて、スワールの生成に伴うポンピングロスも軽減され、熱効率(燃費)の悪化を抑える面で有利となる。図6において、図1と同一の手段に同一の符号を付け、重複説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態を表すシステムの概要構成図である。
【図2】同じく一部の構成図である。
【図3】同じく給排気バルブの動作特性を表す説明図である。
【図4】同じく吸気遮断バルブの制御特性を表す説明図である。
【図5】同じくECUの制御内容を説明する流れ図である。
【図6】別の実施形態を表すシステムの概要構成図である。
【符号の説明】
10 エンジン
11 吸気通路
12 排気通路
13 EGR装置
15(15a,15b) 吸気バルブ
16(16a,16b) 排気バルブ
17(17a,17b) 吸気ポート
18a,18b 吸気マニホールド
20a,20b 分岐通路
21 吸気遮断バルブ
25 排気マニホールド
26 排気ポート
28 触媒
36 EGRバルブ
37 EGRクーラ
42 吸気バルブのカムシャフト
43 排気バルブのカムシャフト
45 エンジンECU
46 エンジン回転センサ
47 アクセル開度センサ
Claims (7)
- 筒内噴射圧縮着火式エンジンにおいて、各気筒に複数の吸気バルブを設け、これら吸気バルブに対応する系統別の吸気ポートおよび吸気マニホールドと、上流側の吸気通路を各マニホールドにそれぞれ接続する分岐通路と、これら分岐通路の少なくとも1つを開閉する吸気遮断バルブと、系統別の吸気バルブを異なるタイミングで開閉する動弁機構と、を備えることを特徴とするエンジンの吸気系装置。
- 動弁機構は、吸気遮断バルブの下流に当たる吸気バルブについて、ピストン下死点後に閉弁させる一方、それ以外の吸気バルブについては、ピストン下死点前に閉弁させるべく設定されることを特徴とする請求項1の記載に係るエンジンの吸気系装置。
- 吸気遮断バルブの下流に当たる吸気ポートは、ストレートポート、それ以外の吸気ポートについては、スワールポート、に設定されることを特徴とする請求項1または請求項2の何れか1つの記載に係るエンジンの吸気系装置。
- スワールポートの吸気バルブは、ストレートポートの吸気バルブよりもバルブヘッドの有効径が大きく設定されることを特徴とする請求項3の記載に係るエンジンの吸気系装置。
- 吸気の経路に吸気遮断バルブの介在しない系統の吸気マニホールドにEGR通路の出口部を接続するEGR装置を備えることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1つの記載に係るエンジンの吸気系装置。
- EGR装置は、EGR通路にEGRガスを冷却するEGRクーラを備えることを特徴とする請求項5の記載に係るエンジンの吸気系装置。
- 吸気遮断バルブを低負荷低回転域のときに閉弁する手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1つの記載に係るエンジンの吸気系装置。
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JP2003064852A JP2004270621A (ja) | 2003-03-11 | 2003-03-11 | エンジンの吸気系装置 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009162216A (ja) * | 2007-12-14 | 2009-07-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | エンジンの給気装置 |
CN102606335A (zh) * | 2012-04-05 | 2012-07-25 | 济南汉菱电气有限公司 | 燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机 |
JP2019120233A (ja) * | 2018-01-11 | 2019-07-22 | いすゞ自動車株式会社 | 内燃機関の吸排気系構造 |
-
2003
- 2003-03-11 JP JP2003064852A patent/JP2004270621A/ja active Pending
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