JP2005090239A - 内燃機関のｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＧＲガスの吸入効率に優れ、ＥＧＲ吸入のために開閉される弁の共振を回避するとともに高速耐久性を向上させ得る内燃機関のＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】 複数の気筒１０を有する内燃機関本体と、上記複数の気筒１０の燃焼室に連通される排気ガス導通路２９と、前記排気ガス導通路２９と前記の各燃焼室の内部との間を開閉する排気供給弁２４と、前記排気ガス導通路２９内に排気ガスを供給する連通路３０と、前記連通路３０を開閉制御する制御弁２３と、を有する。前記連通路３０は、前記燃焼室より下流の排気ポートＯｕｔ中に開口している。前記制御弁２３は、開度を調整可能な、例えばスロットルバルブとして構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に排ガスを還流させるＥＧＲ装置の構成に関する。

燃焼室内の燃焼温度を抑制して排ガス中の有害成分を少なくするために内燃機関にＥＧＲ装置を備えることが従来から行われており、例えば、特許文献１に開示されるものがある。

以下、この特許文献１の構成をその第１図・第２図を参照して説明する。内燃機関本体１には複数の気筒４ａ〜４ｄが備えられる。各気筒４ａ〜４ｄはそれぞれ、吸気弁５ａ〜５ｄと排気弁６ａ〜６ｄを有する。気筒ヘッド１４内にはＥＧＲ供給枝通路２０ａ〜２０ｄが形成される。それぞれの前記ＥＧＲ供給枝通路２０ａ〜２０ｄは、ＥＧＲ供給共通通路２９に連結される。副吸気弁２１ａ〜２１ｄが前記気筒ヘッド１４内に設けられ、この副吸気弁２１ａ〜２１ｄは、カムシャフト１９により駆動されて、前記ＥＧＲ供給枝通路２０ａ〜２０ｄの燃焼室側開口端の開閉制御を行う。

そして、前記複数の上記気筒４ａ〜４ｄのうち、排気行程時の気筒の副吸気弁の開弁時期と、吸気行程時の気筒の副吸気弁の開弁時期とを一致させることにより、異なる気筒同士が前記ＥＧＲ供給共通通路２９によって連結される。この結果、排気行程時の気筒と吸気行程時の気筒との圧力差によって、排気行程にある気筒の排気ガスが前記ＥＧＲ供給共通通路２９を経由して吸気行程の気筒に供給され、安定した燃焼が達成される。
特開５４−７７８２６号公報（（２）〜（３）頁、第１図、第２図）

しかし、上記特許文献１の構成は、ある気筒から他の気筒へＥＧＲガスを供給する際も、逆に当該気筒へ他の気筒からＥＧＲガスを供給する際も、各気筒に１本の前記ＥＧＲ供給枝通路２０ａ〜２０ｄを介して行われる構成である。一方、各ＥＧＲ供給枝通路２０ａ〜２０ｄ内で排気ガスの流れる方向を短時間に反転させようとしても、排気ガスの慣性の観点から限界があり、実際に排気ガスの流れる方向が反転するまでにある程度の遅れ時間（タイムラグ）が生じることが避けられない。

従って、上記特許文献１の構成では、ＥＧＲガスの各気筒４ａ〜４ｄへの分配に悪影響を及ぼす可能性がある。具体的には、ＥＧＲガスを気筒４ａ〜４ｄへ吸入させようとしても、前記タイムラグのために意図したＥＧＲ吸入量を達成できず、ＥＧＲガスの吸入効率が低下する不具合が考えられる。

更には、前記副吸気弁２１ａ〜２１ｄは、ＥＧＲガスの吸排気を１つの弁で制御するため、上記カムシャフト１９の１回転の間に、他の気筒からのＥＧＲガスの導入のために１回、他の気筒へのＥＧＲガスの導出のために１回、計２回開閉しなければならない。従って、この副吸気弁２１ａ〜２１ｄを前記カムシャフト１９で開閉駆動しようとすると二段カムが必要となって、バルブシステムの高速耐久性に問題が生じてしまう。また、バルブシステムの共振を回避するためのカムプロフィールの設計も困難である。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、複数の気筒を有する内燃機関本体と、上記複数の気筒の燃焼室に連通される排気ガス導通路と、前記排気ガス導通路と前記の各燃焼室の内部との間を開閉する排気供給弁と、前記排気ガス導通路内に排気ガスを供給する連通路と、前記連通路を開閉制御する制御弁と、を有する、内燃機関のＥＧＲ装置が提供される。

これによると、異なる気筒内でＥＧＲガスが分配される結果、複数の気筒のそれぞれでの燃焼形態が均一化され、失火やトルク変動を低減できる。また、本構成は吸気行程におけるＥＧＲガスの吸入のために他の気筒の排気行程の排気行程の高圧な排気ガスを利用する構成となっているので、ＥＧＲガスの吸入のために排気背圧を高めたり、吸気を絞って負圧を発生させる必要もなくなる。この結果、ポンプロスを低減でき、熱効率を向上させることができる。
加えて、前記気筒の燃焼室から前記排気ガス導通路にＥＧＲガスを導出する経路（前記連通路）と、前記排気ガス導通路から前記排気供給弁を介して前記気筒の燃焼室にＥＧＲガスを導入する経路とが、別々の経路となっているので、各経路内でＥＧＲガスの向きを反転させる必要がなくなる。従って、ガスの慣性に起因するＥＧＲ供給のタイムラグを回避でき、スムーズなＥＧＲの分配が達成される。
更には、前記排気供給弁は他の気筒からのＥＧＲガスの導入時にのみ開かれる構成であるから、その開弁回数は１サイクルにつき１回とできる。従って、前記排気供給弁の駆動のための構成を簡単とできるとともに、共振を抑えて高速耐久性に優れたものとすることができる。

上記の内燃機関のＥＧＲ装置では、前記連通路は前記燃焼室より下流の排気ポート中に開口していることが好ましい。

これによると、前記気筒の燃焼室周囲のガス経路のレイアウトを簡素化することができる。

ただし、上記の内燃機関のＥＧＲ装置では、前記連通路は前記燃焼室に開口するとともに、この開口に前記制御弁が配置されるように構成することもできる。

これによると、気筒内の排気ガスが排気ポートを通過せずに排気ガス導通路に導入される構成であるから、より高い圧力でＥＧＲガスを他の気筒に供給することができる。

上記の内燃機関のＥＧＲ装置では、前記制御弁は開度が調整可能な弁として構成されていることが好ましい。

これによると、ＥＧＲガスの供給量をキメ細かくコントロールできる。この効果は、特に予混合圧縮自着火燃焼のエンジンにおいて、ＥＧＲガスの供給量を適切に制御してその燃焼速度をコントロールすることが過早着火あるいは失火の回避に繋がることから重要である。

上記の内燃機関のＥＧＲ装置では、当該内燃機関は火花点火燃焼と圧縮自着火燃焼とを切換可能に構成しており、前記火花点火燃焼時には前記制御弁が閉じられるように制御されることが好ましい。

これによると、火花点火燃焼時に前記排気ガス導通路を通じたＥＧＲガスの供給を停止できる簡素な構成を実現できる。

上記の内燃機関のＥＧＲ装置では、各気筒の前記制御弁は、共通のアクチュエータの駆動力が駆動伝達部材を介して伝えられることによりその開閉が制御されることが好ましい。

これによると、アクチュエータの数を減らすことができる。また、前記制御弁を複数気筒同時に開閉したり、あるいはその開度を調整可能な、簡素な構成を実現できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１には、内燃機関を備えるガスヒートポンプの系統図の一例が示される。本発明の一実施形態に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関は、例えば、図１に示すようなガスヒートポンプ１００に適用することができる。このガスヒートポンプ１００は、都市ガス（天然ガス）を用いた内燃機関（ガスエンジン）によってヒートポンプサイクルを駆動して冷暖房を行うものであって、図１には、暖房サイクルとして機能している場合の系統を例示している。

ガスヒートポンプ１００は、室外機１０１と室内機１０２とを備えており、室外機１０１は、本実施形態に係る内燃機関（ガスエンジン）１と、内燃機関１によって駆動されるコンプレッサ１０３と、熱交換器１０４・１０５と、膨張弁１０６と、を含む。

冷媒は、室内機１０２側の熱交換器で凝縮され、液化することで熱を放出し、室内を暖房する。その後、矢印ａのように流れて、膨張弁１０６を通過して膨張し、低温低圧の液体になる。更に矢印ｂのように流れて、室外機１０１の熱交換器１０４で蒸発して吸熱し、低温低圧の気体になる。次いで矢印ｃのように流れて、コンプレッサ１０３で圧縮されて高温・高圧の気体になる。その後、矢印ｄのように流れ、再び室内機１０２で液化して熱を放出する。ガスヒートポンプ１００では、このような暖房サイクルが反復されている。また、図１では、内燃機関１の排熱を利用して温水を循環し、冷媒と熱交換器１０５で熱交換を行うサイクルを例示している。

次に、内燃機関１について説明する。図２に示される内燃機関１は圧縮自着火エンジンとして構成される。この内燃機関１は４気筒型とされ、４つの気筒１０が直列に並べられている。ただし図２では、４つのうち２つの気筒１０（２番気筒と４番気筒）のみを代表して示している。それぞれの気筒１０は、２つの吸気ポート（第一吸気ポートＩｎ１・第二吸気ポートＩｎ２）と、１つの排気ポートＯｕｔと、１つの排気導入ポートＥｇｒと、を有している。

気筒１０の内部には図示しないピストンが往復動自在に嵌合されており、このピストンがコンロッドを介して、内燃機関１のクランク軸に連結されている。

吸気ポートＩｎ１・Ｉｎ２のそれぞれには吸気弁２１が、排気ポートＯｕｔには排気弁２２が備えられる。また、前記排気導入ポートＥｇｒにはＥＧＲ導入弁（排気供給弁）２４が備えられる。これらのバルブ２１・２２・２４は公知のキノコ状の弁とされ、前記クランク軸にタイミングベルト等を介して連結される図略のカム軸によって開閉駆動される。

前記吸気ポートＩｎ１・Ｉｎ２は、予混合気を気筒１０内に取り込む経路として構成されており、前記気筒１０の燃焼室天井面の一側に並べて形成される。この構成において、燃料ガスは吸気路５に配置された図示しないミキサによって混合された後、当該ミキサの供給口から排出されて、前記吸気路５から前記吸気ポートＩｎ１・Ｉｎ２に向かって供給される。一方、排気ポートＯｕｔは排気路７へ接続しており、この排気路７が他の気筒の排気路７と合流して図略の集合排気路を形成し、この集合排気路が消音のためのマフラーに接続される。

４つの前記気筒１０が並べられる方向に沿って、排気ガス導通路２９が細長く形成される。この排気ガス導通路２９には、各気筒１０毎に設けられた、排気ガス導出路（連通路）３０の一端が接続されている。

前記排気ガス導出路３０の他端は、前記排気ポートＯｕｔに開口している。この開口位置は、前記燃焼室より下流側の位置としている。また、この排気ガス導出路３０の中途には、スロットルバルブとして構成されたＥＧＲ供給弁（制御弁）２３が設けられている。このＥＧＲ供給弁２３は、前記排気ガス導出路３０の開放／遮断を切り換えたり、当該排気ガス導通路３０を通過する排気ガスの流量を調節したりすることができる。

また、前記排気ガス導通路２９には、前記排気ガス導出路３０とは別に、各気筒１０毎に設けられた排気ガス導入経路３１の一端が接続されている。この排気ガス導入経路３１の他端は、前記排気導入ポートＥｇｒに接続される。

図３に各気筒の吸気弁２１、排気弁２２、ＥＧＲ導入弁２４の開弁／閉弁タイミングの関係を線図で示す。図３において縦軸は弁揚程を示し、横軸はクランク角を示す。

この図から明らかであるように、１番から４番の各気筒においては、前記吸気弁２１が閉弁する時期の直前にＥＧＲ導入弁２４が開弁している。

また、４番気筒と２番気筒に着目すると、４番気筒の吸気弁２１が開いて吸気行程にあるときは２番気筒は排気弁２２が開いて排気行程にあって、４番気筒のＥＧＲ導入弁２４の開弁は、２番気筒の排気行程末期、及び、４番気筒の吸気行程末期で行われる。

排気行程末期における気筒（ここでは２番気筒）の排気ポート内の圧力は高く、一方、吸気行程末期における気筒（ここでは４番気筒）内は負圧となっている。従って、４番気筒のＥＧＲ導入弁２４が開弁すると（なおこのとき前記ＥＧＲ供給弁２３は開かれている）、２番気筒内の排気ガスは、図２の太線矢印に示すように、上記排気ポートＯｕｔから前記排気ガス導出路３０、前記排気ガス導通路２９、前記排気ガス導入経路３１、前記排気導入ポートＥｇｒと順に経由して、４番気筒内に噴出する。なお、上記関係は、２番気筒と１番気筒、１番気筒と３番気筒、３番気筒と４番気筒について同様である（図３参照）。

このように異なる気筒内でＥＧＲガスが順次分配される結果、各気筒１０での燃焼形態が均一化され、失火やトルク変動を低減することができる。また、気筒１０へのＥＧＲガスの導入は他の気筒１０の排気行程の高圧な排気ガスを利用して行われるので、ＥＧＲガス吸入のために排気背圧を高めたり、吸気を絞って負圧を発生させる必要もない。この結果、ポンプロスを低減でき、熱効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、前記気筒１０から前記排気ガス導通路２９にＥＧＲガスを導出する経路（前記排気ガス導出路３０）と、前記排気ガス導通路２９から前記気筒１０にＥＧＲガスを導入する経路（前記排気ガス導入経路３１）とが、別々の経路となっている。従って、各経路３０・３１内でＥＧＲガスの向きが反転される必要がないので、ガスの慣性に起因するＥＧＲ供給のタイムラグを回避でき、スムーズなＥＧＲの分配が達成されている。

更には、図３から明らかであるように、前記ＥＧＲ導入弁２４の開弁回数は、１サイクルにつき１回とできる。従って、前述の従来技術のように二段カムで前記ＥＧＲ導入弁２４を駆動させる必要もなく、前記ＥＧＲ導入弁２４の駆動のためのカムのプロフィール設計も容易である。

また、前記排気ガス導出路３０は前記排気ポートＯｕｔに開口しているが、この開口位置は、前記燃焼室より下流側の位置である。従って、前記燃焼室に前記排気ガス導出路３０を開口させる場合に比して、燃焼室まわりのガス吸排気のための経路のレイアウトを簡素化することができる。

ただし、前記排気ガス導出路３０を前記燃焼室に開口させる構成とすることも可能である。この場合は、前記ＥＧＲ供給弁２３を公知のキノコ型の弁として、前記排気ガス導出路３０が燃焼室に接続する部分（開口部分）を開閉可能に配置すれば良い。この構成では、気筒１０内の排気ガスが前記排気ガス導出路３０に直接送られるために、より高い圧力で排気ガスを他の気筒１０に供給できる利点がある。

ここで前述のとおり、本実施形態の内燃機関１は予混合圧縮自着火型のエンジンとされており、燃焼速度をコントロールして過早着火や失火を回避するためには、前記ＥＧＲガスの供給量を適切に調節することが重要である。

以下詳細に説明する。
予混合圧縮自着火型のエンジンにおいては、熱効率が高く燃費を低減でき、また、ススやＮＯｘ等の有害物質を低減できる等の利点があるものの、気筒内の着火や燃焼速度の制御が困難で、過早着火や失火が生じ易いという問題がある。

即ち、予混合自着火燃焼では気筒内の予混合気が圧縮行程上死点付近で自着火して、比較的緩やかに燃焼を続け、燃焼中心（５０％燃焼割合時期）が上死点後数°〜十数°クランク角の位置にある状態が理想である。ところが、気筒内の混合気の燃焼速度が予混合燃焼に適切な範囲より大きいと、上死点前に着火した混合気は一挙に燃焼してしまい、上死点到達前に急激に気筒内圧力が上昇するようになる。このように上死点到達前に急激な圧力上昇が生じると、ガソリンエンジンのノッキングと同様に機関には大きな振動・騒音が生じて、いわゆる過早着火が発生する。一方、気筒内の混合気の燃焼速度が予混合燃焼に適切な範囲より小さいと、ピストン上死点後に混合気の燃焼が完了する前にピストンが下降して気筒内温度が低下してしまい、混合気の燃焼状態が悪化してついには失火を生じる問題がある。

また一般に、予混合圧縮自着火型のエンジンにおいて予混合燃焼が成立する燃焼速度範囲は、過早着火が生じる燃焼速度に極めて近い、狭い範囲である。従って、燃焼速度をその範囲内に安定して維持することが予混合圧縮自着火型エンジンの近年の重要な技術的課題とされている。

この点、前記排気ガス導通路２９を通過するＥＧＲガスは燃焼後の排気であるため酸素濃度が低く、このＥＧＲガスが気筒１０内に供給される量を変化させることにより、前記気筒１０において燃焼室の酸素濃度を制御し、予混合気の燃焼速度をコントロールすることができる。

本実施形態では、前記ＥＧＲ供給弁２３はスロットルバルブとして構成しており、その開度を調整することでＥＧＲガスの供給量をコントロールしている。例えば、スロットルバルブは、その開度を多段階で調整可能あるいは無段的に調整可能なものが好ましい。前記ＥＧＲ供給弁２３は本実施形態では油圧駆動弁としているが、その駆動方式は任意であって、例えば電磁弁に代替可能である。

ただし、ＥＧＲガスの供給／供給停止の切換を行う役割のみを前記ＥＧＲ供給弁２３に持たせる場合には、このＥＧＲ供給弁２３は、単にＯｎ／Ｏｆｆの二状態を切り換える形式のバルブとして構成しても良い。
即ち、予混合圧縮自着火エンジンの中には、その運転可能な範囲を拡大するために、燃焼室にスパークプラグを備えて火花点火燃焼を可能として、センサで検知されるエンジン回転数や要求負荷等の状況に応じて前記の圧縮自着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える、制御部を備えて構成するものがある。この制御部はＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ等を備え、前記センサで検出されたエンジン回転数が所定値よりも大きいか、要求負荷が所定値よりも大きい場合には火花点火燃焼としてスパークプラグに点火信号を送り、それ以外の場合は圧縮自着火燃焼となるように制御する。そして火花点火燃焼においては、上記に説明したような内部ＥＧＲガスを使用しない場合がある。

この場合は、前記ＥＧＲ供給弁２３を前記制御部により制御可能に構成して、圧縮自着火燃焼の場合には前記ＥＧＲ供給弁２３を開いて内部ＥＧＲガスの供給を行い、火花点火燃焼の場合には前記ＥＧＲ供給弁２３を閉じて内部ＥＧＲガスの供給を停止するように構成すれば良い。この構成とした場合、圧縮自着火燃焼時のＥＧＲガスの供給量の制御は、例えば、公知の可変バルブタイミング機構を設け、前記ＥＧＲ導入弁２４の開閉タイミングを変更させることで行わせることができる。

なお、前記ＥＧＲ供給弁２３をスロットルバルブとして構成した場合は、このスロットルバルブを前記制御部により制御することで、エンジン回転数や要求負荷等の状況に応じて前記ＥＧＲ供給弁２３の開度を調整してＥＧＲガスの供給量をコントロールすることが可能である。また、火花点火燃焼時にはスロットルバルブとしてのＥＧＲ供給弁２３の開度がゼロとなるように前記制御部に制御されることで、前記排気ガス導通路２９を通じた内部ＥＧＲガスの供給を停止して火花点火燃焼に適した状態とできることは勿論である。

本実施形態では油圧駆動弁としての前記ＥＧＲ供給弁２３が各気筒ごとに一つずつ設けられており、各ＥＧＲ供給弁２３に対応して図略の圧油供給経路がそれぞれ設けられて、各ＥＧＲ供給弁２３に個別に圧油が送られて開閉が制御される。しかしながら、図４に示す変形例のように、前記気筒１０の並設方向に沿う軸線を有するカムシャフト４１を回転自在に支持し、このカムシャフト４１に単一のアクチュエータ（例えば、電動モータや油圧シリンダ等）４２の出力部を連結し、前記カムシャフト４１を回転駆動させることで計４つの前記ＥＧＲ供給弁２３を同時に開閉するように構成しても良い。前記制御部は、前記アクチュエータ４２を介して、各ＥＧＲ供給弁２３の開閉を制御するように構成する。この場合は、４つの気筒１０で共通のアクチュエータ４２によって前記ＥＧＲ供給弁２３を４気筒同時に開閉したり、あるいはその開度を調整可能な簡素な構成を実現できる。

以上に本発明の実施形態およびその変形例を示したが、本発明の技術的範囲は以上の実施形態等に限定されるものではなく、例えば以下のように変形して実施することができる。

（１）本実施形態の内燃機関１は都市ガス（天然ガス）を燃料として用いているが、例えばプロパンガス等の他の気体を燃料とする場合にも、本発明の適用は妨げられない。

（２）本実施形態に係る内燃機関１は、上述したガスヒートポンプ１００に用いることができるが、必ずしもこの例に限定されず、自動車エンジン等の種々の内燃機関において適用可能なものである。また、本実施形態の内燃機関１は予混合自着火燃焼式のエンジンとして構成されているが、本発明は、他の方式のエンジンのＥＧＲ装置に適用することができる。例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンである。

（３）前記変形例においては、カムシャフト４１の代わりに、例えばリンク等の他の部材を使っても差し支えない。要は、前記アクチュエータ４２の出力部の駆動力をそれぞれの前記ＥＧＲ供給弁２３の弁体に伝達できるものであれば十分である。

予混合自着火燃焼式の内燃機関を備えるガスヒートポンプの系統図の一例を示す図。 本発明の一実施形態に係るＥＧＲ装置の全体的な構成を示す模式図。 吸気弁、排気弁、ＥＧＲ吸入弁の各バルブの開弁タイミングを示す線図。 変形例に係るＥＧＲ装置の構成を示す模式図。

符号の説明

１ 内燃機関
１０ 気筒
２３ ＥＧＲ供給弁（制御弁）
２４ ＥＧＲ導入弁（排気供給弁）
２９ 排気ガス導通路
３０ 排気ガス導出路（連通路）

Claims (6)

1. 複数の気筒を有する内燃機関本体と、
   上記複数の気筒の燃焼室に連通される排気ガス導通路と、
   前記排気ガス導通路と前記の各燃焼室の内部との間を開閉する排気供給弁と、
   前記排気ガス導通路内に排気ガスを供給する連通路と、
   前記連通路を開閉制御する制御弁と、
   を有する内燃機関のＥＧＲ装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ装置であって、前記連通路は前記燃焼室より下流の排気ポート中に開口していることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ装置。
3. 請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ装置であって、前記連通路は前記燃焼室に開口するとともに、この開口に前記制御弁が配置されていることを特徴とする、内燃機関のＥＧＲ装置。
4. 請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の内燃機関のＥＧＲ装置であって、前記制御弁は開度が調整可能な弁として構成されていることを特徴とする、内燃機関のＥＧＲ装置。
5. 請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の内燃機関のＥＧＲ装置であって、
   当該内燃機関は火花点火燃焼と圧縮自着火燃焼とを切換可能に構成しており、
   前記火花点火燃焼時には前記制御弁が閉じられるように制御されることを特徴とする、内燃機関のＥＧＲ装置。
6. 請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の内燃機関のＥＧＲ装置であって、
   各気筒の前記制御弁は、共通のアクチュエータの駆動力が駆動伝達部材を介して伝えられることによりその開閉が制御されることを特徴とする、内燃機関のＥＧＲ装置。
   

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